DE1556505A1

DE1556505A1 - Zweistufiger hydraulischer Strahlantrieb fuer Wasserfahrzeuge

Info

Publication number: DE1556505A1
Application number: DE19681556505
Authority: DE
Inventors: Aschauer George Reisch
Original assignee: Twin Disc Inc
Current assignee: Twin Disc Inc
Priority date: 1967-03-01
Filing date: 1968-02-26
Publication date: 1971-09-30
Also published as: FR1555257A; DE1556505C3; BE711506A; DE1556505B2; US3405526A; GB1162921A

Description

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Patentanwälte

Twin Disc, Incorporated
Racine, Wisconsin (V.St.A.)

Zweistufiger hydraulischer Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweistufigen hydraulischen Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge. Bekannt ist es, einen Strömungskanal mit einem Einlauf und einem am Heck des Fahrzeuges vorgesehenen Auslauf anzuordnen und zum Antrieb einen außerhalb des Strömungskanals angeordneten Motor vorzusehen. Ein solcher Antrieb und seine Anordnung ist beispielsweise beschrieben im Patent (Patentanmeldung T 32 254 XI/65f 1).

Um durch einen solchen Antrieb den erforderlichen Druckanstieg und die für Schnellboote erforderliche hohe Strahlgeschwindigkeit zu erreichen, muß die Geschwindigkeit der den Strahlantrieb durchströmenden Wassermasse stufenweise erhöht werden. Bei bekannte Ausbildungen solcher Antriebe sind zwar Pumpenlaufräder in mehrstufiger Anordnung vorgesehen, doch diese laufräder haben gewöhnlich gleichgroiBe und/oder gleiche Umlaufgeschwindigkeit, oder aber es sind Pumpenlaufräder von unterschiedlicher Größe verwendet, die die gleiche Umlaufgeschwindigkeit oder unterschiedliche Umlaufrichtung haben«

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Da vielfach in der 1. Stufe nur ein geringer Druckanstieg erreicht werden kann, weil das Wasser nur mit Atmosphärendruck in das Pumpenlaufrad dieser 1. Stufe einläuft, wenn das Boot stillsteht, stellen auch die folgenden Stufen solche dar, die nur einen niedrig liegenden Druck anheben, weil sie alle den gleichen Wasserdurchfluß haben, bezogen auf Durchflußmenge, gerechnet in GPM (Gallonen pro Minute) und auf die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrades, gerechnet in EPM (Umläufe pro Minute).

Bei Zentrifugalpumpen hängt die Nutzleistung ab von der spezifischen Geschwindigkeit Ns (den hydraulischen Aufbau), vom Fassungsvermögen (Größe der Pumpe), von den Einlaßbedingungen (Form und Größe des Kanaleinlasses), vom inneren Spielraum der Laufräder zum Kanalgehäuse, von der Oberflächenrauhigkeit (Gehäuse- und Laufradwerkstoff) und von der Stopfbüchsenreibung. Die Einflüsse der spezifischen Geschwindigkeit und des Fassungsvermögens sind in den meisten Fällen vorherrschend.

Bei Strahlantrieben zum Bootsantrieb, auf welche sich die Erfindung bezieht, nängt der größtmögliche Antriebswirkungsgrad neben anderen Paktoren ab von der Größe und dem Gewicht der Antriebseinheit, vom GPM des Wasserdurchflusses, vom Beharrungsvermögen des Bootes, vom Beschleunigungsvermögen und von der zulässigen spezifischen Geschwindigkeit. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen,muß also das Bestreben dahingehen, die Menge des durchfließenden Wassers groß und die Strahlgeschwindigkeit niedrig zu halten und demzufolge einen niedrigen Strahldruck zu erreichen. Die spezifische Geschwindigkeit ist gegeben durch die Formel Ns = · Hierin bell ^i/4

deutet RPM die Geschwindigkeit des Laufrades, gemessen in Umlauf en/seo, GPM die Menge des durchfließenden Wassers, gemessen in M /sec, H die Höhe des von der Pumpe erzeugten Wasserdruckes

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in m. Diese IOrmel zeigt, daß geringe spezifische Geschwindigkeiten einen hohen Wasserdruck in Verbindung mit einem verhältnismäßig geringen !Fassungsvermögen und langsamen Umlaufgeschwindigkeiten erfordern.

Bei Wasserfahrzeugen geht das Bestreben dahin, eine größtmögliche Wassermenge den Antrieb durchströmen zu lassen, aber diesem Bestreben sind Grenzen gesetzt durch die physikalische Widerstandsfähigkeit und durch die Größe des Wasserfahrzeugs. Um zu einer spezifischen Geschwindigkeit (Ns) zu gelangen, die in der ersten Stufe einen geringen Wert hat, soll das Laufrad in dieser 1. Stufe einen großen Durchmesser und eine geringe Geschwindigkeit haben. Da bei stillstehendem Fahrzeug der Atmosphärendruck die einzige Kraftquelle ist, die das Wasser in den Einlaß des Strömungskanals hineindrückt, muß das erste Pumpenlaufrad so ausgebildet sein, daß es einen großen Einlaßbereich aufweist, um für das unter Atmosphärendruck befindliche Wasser eine gute Anfangsleistung aufzubringen. Dies gestattet, eine geringere spezifische Geschwindigkeit (Ns) zu verwenden, was in dieser Stufe erwünscht ist, weil die Umläufe pro Minute (EEM) geringer sein können.

Die Erfindung schlägt nun bei einem mehrstufigen hydraulischen Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge vor, in den verschiedenen Stufen Pumpen unterschiedlicher Ausbildung zu verwenden und sie mit verschiedenen Geschwindigkeiten laufen zu lassen.

Bezogen auf einen zweistufigen hydraulischen Strahlantrieb der eingangs umschriebenen Bauart besteht die Besonderheit der Erfindung demzufolge darin, daß die 1. Stufe als im Axialfluß durchlaufendes Pumpenlaufrad und die dahinter angeordnete 2. Stufe als diagonal wirkendes Pumpenlaufrad ausgebildet ist und hinter jedem dieser Laufräder Leitflügel angeordnet sind, wobei das Laufrad der 2_e Pumpenstufe eine größere Umlaufge-

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sohwindigkeit hat ale das Laufrad der 1. Pumpenstufe. Sie in der 1* Stufe verwendete Axialpumpe arbeitet dann als Torverdichter, und die in der 2· Stuf« eingesetzte, in der Art eines Diagonalverdichterβ arbeitende Pumpe stellt dann die Hauptpumpe des Strahlantriebe dar und erzeugt den Hauptteil der Antriebsleistung.

Bei einem so ausgebildeten Strahlantrieb kann in der 1· Stufe eine geringere Geschwindigkeit für die dort erfolgende Torrerdichtung verwendet werden, während in der die Hauptstufe darstellenden 2. Stufe das Pumpenlaufrad mit einer höheren zulässigen spezifischen Geschwindigkeit umläuft und dadurch einen besondere wirksamen Wasserstrahl erzeugt* Somit kann mit einer solchen Antriebseinheit die 1. Stufe mit kleinerer Geschwindigkeit betrieben und geringere Leistung erzeugt werden, während die Hauptleistung durch das mit höherer spezifischer Geschwindigkeit umlaufende, nach dem Diegonmldurchflußprinzip arbeitende Pumpenlaufrad der 2. Stufe erzeugt wird· Der mittlere Durchmesser des letztgenannten Laufrades der 2· Stufe ist hierbei größer ale der mittlere Durchmesser des nach dem Axialprinzip arbeitenden Pumpenlaufrades der 1. Stufe· Dies ermöglicht, dem in der 2. Stufe eingesetzten Pumpenlaufrad nach dem Diagonalprinzip eine geringere Uesohwindigkeit zu erteilen als es möglioh wäre bei Terwendung eines als Axialverdichter arbeitenden Pumpenlaufrades in der 2. Stufe. Bei der gekennzeichneten neuen Anordnung der Pumpenlaufräder ist in der 2· Stufe ein größerer Druckanstieg erreiohbar, und diese Anordnung zeichnet sioh weiter duroh den Torteil aus, dal sie nur geringe Abdreh- und Wirbelverluste aufweist.

Zn Verbindung mit der so gewählten Anordnung unterschiedlich autgebildeter Pumpenlaufräder in den hintereinander gesohalteten Stufen kommt auch der Ausbildung tes Strömungekanale entscheidende Bedeutung zu. In weiterer Ausgestaltung Aer Erfindung hat da-

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BAD ORIGINAL

her der vor dem Laufrad der 1. Pumpenstufe befindliche Teil des Strömungskanals einen sich von seiner Einlauföffnung zur Ebene des Laufrades dieser Stufe erweiternden Querschnitt. Durch diesen erweiternden Verlauf des Kanals werden Reibungsverluste auf ein Minimum begrenzt, und die Einströmgeschwindigkeit in den Kanal ist beträchtlich höher als die Stromgeschwindigkeit unmittelbar vor dem Eintritt in das Pumpenlaufrad der 1. Stufe, wo der Druck in diesem Bereich größer ist. Gerade durch diese Druckerhöhung vor der 1. Pumpenstufe wird Blasenbildung so wirkungsvoll vermindert.

Weiter kann es von Vorteil sein, wenn das den Strömungskanal umschließende Gehäuse vom Einlauf in das Laufrad der 1· Stufe bis zum Einlauf in das Laufrad der 2. Pumpenstufe im wesentlichen zylindrisch ist und sich vom Einlauf in das Laufrad der 2. Stufe bis zu dessen Auslauf nach rückwärts erweitert und sich anschließend zum Kanalauslaß hin verjüngt.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Strahlantriebs gemäß der Erfindung in Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt wiedergegeben.

Der Strahlantrieb U mit seinem Gehäuse H ist in Längsrichtung des Wasserfahrzeuges C unmittelbar über dessen Boden 2 angeordnet. Das den Strömungskanal bildende Gehäuse hat einen Einlauf 1 und einen sich durch das Heck des Fahrzeuges erstreckenden, im Querschnitt verjüngten Auslauf 3. Im Einlauf kann unterhalb des Bootsrumpfes vor der Einlauföffnung 1a ein Sieb 1g angeordnet sein. Auf dem Wege vom Einlauf 1a zur 1. Pumpe 10 erweitert sich das Gehäuse von einem verhältnismäßig kleinen Querschnitt an der Einlauföffnung 1a zu einem weitaus größerem Querschnitt in der Pumpenebene 1b und bewirkt dadurch eine Verringerung der Wassergesehwindigtoit und einen Anstieg des Druokes. An den Auslauf 3 schließt an der Druckseite

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des Hecks eine Düse N an, durch den der Wasserstrom geleitet wird, um das Boot In bekannter Weise anzutreiben, es zu steuern oder es umzuschalten.

Ein Triebwerk, beispielsweise In ϊοπη eines Verbrennungsmotors, . dient zum Antrieb einer Zwischenwelle 5a, und diese treibt über ein aus den Zahnrädern 7a, 7b bestehendes Untersetzungsgetriebe eine Welle 6 und über aus Zahnrädern 7o, 7d bestehendes Untersetzungsgetriebe eine Hohlwelle θ an. Letztere ist durch einen Keil mit dem Zahnrad 7d verbunden·

Ein erstes, als Axialturbine wirkendes Laufrad 10 ist auf der Hohlwelle 8 befestigt und dazu bestimmt, eine verhältnismäßig langsam laufende Pumpe zu bilden und das Wasser vorzuverdichten, um es dann der zweiten Pumpenstufe zuzuleiten. Das die 1. Stufe bildende Laufrad 10 drückt das Wasser in im wesentlichen axialer Sichtung direkt der 2. Pumpenstufe zu und erzeugt bei minimaler Ausrichtungdes Wassers eine gute Wasserbeschleunigung . Der mittlere Durchmesser des Laufrades 10 ist strichpunktiert bei angedeutet; der Abfluß erfolgt an der rückwärtigen Randkante 11a·

Das die 2. Pumpenstufe bildende Laufrad 12 let auf der Welle 6 angeordnet und stellt das sehneHäufende Bad des Antriebs darf sein mittlerer Durchmesser ist durch die strichpunktierte Linie 13 angedeutet. Diese 2. Stufe ist als diagonal wirkende Pumpe ausgebildet und stellt die Hauptpumpe dar; sie läuft mit höherer Geschwindigkeit um als die 1. Stufe. Sie liefert den Hauptteil an Leistung. Wenn beispielsweise ein Strahlantrieb insgesamt 258 PS liefern soll, so werden etwa 192 PS in der 2. Stufe und etwa 66 PS im ersten Pumpenlaufrad vom Axialtyp erzeugt.

Der Abfluß des Wassers aus der als diagonal wirkenden Pumpe ausgebildeten 2· Stufe erfolgt unter einem zwischen 0°und 90°

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liegenden Winkel zur Welle. Der sich tob Einlaß zur 1. Stufe bis zum Einlaß der 2. Stufe erstreckende feil des Gehäuseβ hat eine im wesentlichen geradlinige, zylindrische Form, um sich anschließend rom Einlaß zum Auslaß der 2. Stufe zu erweitern. Sodann rerjungt es sich zum Auslaß 3 hin.

Die äußeren Laufradenden sind unabgestützt und in ihrem Außendurchmesser dicht dem sie umschließenden Gehäuseinnern angepaßt. Im Gehauee können anschließend an die Laufräder Reibringe 13 angeordnet sein.

Hinter jedem Laufrad sind Leitflügel vorgesehen, die die Aufgabe haben, di· Wasserströmung nach Verlassen des betreffenden Laufrades gerade zu richten und Wirbelbildung zu unterdrücken. So sind hinter dem Laufrad 10 innerhalb des Gehäuses Leitflügel 14 vorgesehen, die an ihren radial verlaufenden inneren Enden an eine Habe 14a angeschlossen sind, welche auch als Abstützung für Lager 14b und 14c dient, in denen die Hohlwelle 8 bzw. die Welle 6 gelagert ist. Bas Gehäuse kann beispielsweise in der Ebene der Leitflügel 14 mit einem zur Inspektion abnehmbaren Deckel 14d versehen sein, der gleichfalls mit einem oder mehreren Leitflügeln versehen sein kann. Unmittelbar vor der Nabe des Laufrades 10 ist zwischen der Hohlwelle 8 und einem inneren Gehäuseteil 16 eine Abdichtung 15 angebracht*

Wie in der Zeichnung dargestellt, erweitert sich das Laufrad der 2. Stufe nach hinten und fördert das Wasser zum rückwärtigen Teil des Gehäuses, der seinen größten Umfang bzw. Durchmesser bei 19a hinter dem Auslauf des Laufrades 12 hat und sich in seinem hieran anschließenden Teil 19b bis auf den Umfang des Gehäuseauslasses 3 verjüngt, an den die Düse N anschließt. Auoh in diesem Gehäuseteil 19 ist eine Mehrzahl von Leitflügeln 20 angeordnet, deren Aufgabe te ist, das aus dem Laufrad 12 der 2. Stuf· ausströmende Wasser gerade zu richten und ein Abdrehen der flüssigkeit quer zur förderrichtung sowie Wirbtlbildung .u unt.rdrtiok.». ,„„„,„„„ j

Diese Bauart stellt einen besonders wirksamen zweistufigen hydraulischen Strahlantrieb dar mit einem mit verhältnismäßig langsamer Geschwindigkeit umlaufenden, geringere Leistung ergebenden ersten Laufrad mit axialem Wasserdurchfluß, der darin verdichtet dem nachfolgenden Laufrad der 2. Pumpenstufe zugeleitet wird, die als diagonal wirkende Pumpe ausgebildet ist. Bei dieser Kombination mehrstufiger Pumpen verliert keine der Pumpen an Wirkungsgrad, und in Verbindung mit der zweiten, schneller als das erste Laufrad umlaufenden diagonal wirkenden Pumpe läßt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad erzeugen* Der kleinere mittlere !Durchmesser des Laufrades der ersten axial wirkenden Pumpe, verglichen mit dem des Laufrades der zweiten diagonal wirkenden Pumpe hat zur Folge, daß die diagonal wirkende Pumpe eine kleinere zulässige Geschwindigkeit hat (selbst wenn diese größer ist als die der 1. Pumpenstufe) als dies bei Verwendung einer axial wirkenden Pumpe in der 2. Pumpenstufe möglich wäre. Weiter hat dies einer größeren Druckanstieg in der 2ο Pumpenstufe und geringere Wirbelverluste zur Folge.

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Claims

Patentansprüche

1· Zweistufiger hydraulischer Strahlantrieb mit einem Strömungskanal mit einem Einlauf und einem am Heck des fahrzeuges vorgesehenen Auslauf und mit einem außerhalb des Strömungekanals angeordneten Motor zum Antrieb der im Strömungskanal angeordneten Pumpenlaufräder, daduroh gekennzeichnet, daß die 1. Stufe als im Axialfluß durchlaufendes Pumpenlaufrad (10) und die dahinter angeordnete 2. Stufe als diagonal wirkendes Pumpenlaufrad (12) ausgebildet ist und hinter jedem dieser Laufrader Leitflügel (14,20) angeordnet sind, wobei das Laufrad (12) der 2· Pumpenstufe eine größere Umlaufgeschwindigkeit hat als das Laufrad (10) der 1· Pumpenstufe.

2· Strahlantrieb nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der vor dem Laufrad (10) der 1. Pumpenetufe befindliche !eil des Strömungskanals einen sich von seiner Einlauföffnung (1a) zur Ebene des Laufrades (10) erweiternden Querschnitt hat·

3· Strahlantrieb nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß das den Strömungskanal umschließende Gehäuse vom Einlauf in das Laufrad (10) der 1. Pumpenstufe bis zum Einlauf in das Laufrad (12) der 2· Pumpenstufe im wesentlichen zylindrisch ist und sich vom Einlauf in das Laufrad (12) bis zu dessen Auslauf nach rückwärts erweitert und eich anschließend zum Kanalauslaß (3) hin verjüngt·

4· Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufräder (10, 12) von einander koaxial umgebenden Wellen (Θ, 6) an,treibb*r sind, die ihren Antrieb von einem dem Antriebsmotor naohgeschalteten Untersetzungsgetriebe (7) erhaltene

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