DE1987585U - Antriebsvorrichtung fur Gleit oder Tragflügelboote - Google Patents

Description

Antriebsvorrichtung für Gleit- oder Tragflügelboote

In Wasserfahrzeugen hängt die Momentaufnahme des Propellers außer von der Drehzahl vom Fahrwiderstand ab. In Schiffen mit betriebsbedingt stark unterschiedlichen Fahrwiderständen, z.B. bei Schleppern, Fischereifahrzeugen oder Eisbrechern, mit Verbrennungsmotoren, besonders Dieselmotoren, als Antriebsmaschinen, werden zwischen Motor und Propeller Wechselgetriebe mit mehreren Untersetzungsstufen oder elektrische Übertragungsvorrichtungen zur Erhöhung des vom Motor abgegebenen Momentes und zum Betrieb des Motors mit höchster Leistung auch bei kleineren Propellerdrehzahlen eingebaut.

Die Neuerung bezieht sich auf Antriebsvorrichtungen von Gleit- oder Tragflügelbooten, deren Fahrwiderstand bei eingetauchtem Bootskörper beim Anfahren mit zunehmender Geschwindigkeit schnell anwächst, beim Austauchen sich verringert und bei weiterer Geschwindigkeitszunahme sich wieder erhöht. Bei etwa der Fahrgeschwindigkeit proportionaler Propellerdrehzahl entspricht der Verlauf der Momentaufnahmekurve des Propellers etwa der Fahrwiderstandskurve.

Mit Tragflügelbooten will man möglichst hohe Geschwindigkeiten erreichen, jedoch sind einer wirtschaftlichen Dauergeschwindigkeit aus strömungstechnischen Gründen Grenzen gesetzt. Im Interesse der Gewichtsersparnis und vor allem eines wirtschaftlichen Betriebes soll die Nennleistung des Motors der vom Propeller bei Dauerreisegeschwindigkeit aufgenommenen Leistung entsprechen. Nun ist es möglich, dass der erhöhte Drehmomentbedarf des Propellers beim Austauchen bei noch kleinerer Propellerdrehzahl vom Antriebsmotor nicht gedeckt werden kann. d.h. das Boot kann nicht austauchen. Die bei Schiffen bekannten Kraftübertragungsvorrichtungen zum Anpassen des vom Motor abgebbaren Momentes an den stark schwankenden Momentbedarf des Propellers sind für Tragflügelboote ungeeignet.

Bei den mechanischen Wechselgetrieben, die bei den in Frage kommenden Leistungen meistens mit Klauen- oder Zahnkupplungen geschaltet werden, wird während dem Schaltvorgang der Kraftfluß unterbrochen. Beim Umschalten von der das Drehmoment erhöhenden Stufe auf die Stufe höherer Drehzahl nach dem Austauchen würde sofort die Bootsgeschwindigkeit abfallen und das Boot wieder eintauchen. Die elektrische Kraftübertragung ist aufwendig und teuer und kommt wegen ihres hohen Gewichtes für Tragflügelboote ohnehin nicht in Frage.

Aufgabe der Neuerung ist es, eine einfache und leichte Kraftübertragung für Tragflügelboote zu schaffen, die den Drehmomentbedarf des Propellers bei allen Betriebszuständen decken kann und die Nachteile der bekannten Übertragungen vermeidet. Neuerungsgemäß wird dies erreicht durch einen hydrodynamischen Drehmomentwandler zwischen Verbrennungskraftmaschine, z.B. einem Dieselmotor, und Propellerwelle zur Erhöhung des vom Dieselmotor abgebbaren Momentes auf das beim Anfahren des eingetauchten Bootes erforderliche höhere Propellerdrehmoment und zum Betrieb des Dieselmotors mit höchster Leistung bei höchster Drehzahl beim Austauchen. Besondere Vorteile bietet ein Wandler mit zentripetaler Turbine mit fallender Momentaufnahme bei steigender Abtriebsdrehzahl und mit seinem Wirkungsgradmaximum bei einer Abtriebsdrehzahl, die etwa der Propellerdrehzahl beim Austauchen des Bootes entspricht.

Bei Tragflügelbooten für besondere Verwendungszwecke, von denen außer einer wirtschaftlichen Dauergeschwindigkeit zeitweise überhöhte Geschwindigkeiten gefordert werden und die dafür mit einer weiteren zuschaltbaren Verbrennungskraftmaschine, z.B. einer Gasturbine, ausgerüstet sind, ist nach einer weiteren Maßnahme der Neuerung die Gasturbine an die Propellerwelle kuppelbar, gegebenenfalls über eine Zahnradübersetzung zur Anpassung der Gasturbinendrehzahl an die Propellerdrehzahl, und das Drehzahlverhältnis der Ausgangswelle zur Eingangswelle des Wandlers reicht bei ausreichendem Wandlerwirkungsgrad über den Wert 1 hinaus, so dass die Höchstdrehzahl des Dieselmotors bei erhöhter Propellerdrehzahl nicht überschritten wird. Außerdem ist für einen wirtschaftlichen Betrieb in der Antriebsvorrichtung neuerungsgemäß eine Reibkupplung zum Überbrücken des Wandlers nach dem Austauchen bei normaler Marschfahrt angeordnet. Weitere Einzelheiten der Neuerung sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich, in der die Fig. 1 die Momentaufnahmekurve über der Drehzahl eines Propellers in einem Tragflügelboot bei verschiedenen Fahrzuständen, die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung für ein Tragflügelboot mit einer zuschaltbaren Gasturbine, die Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Getriebes in der Antriebsvorrichtung nach Fig. 2 und die Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Getriebes in der Antriebsvorrichtung nach Fig. 2 zeigt.

In Fig. 1 ist M tief P der Verlauf des Propellerdrehmomentes über der Propellerdrehzahl. Etwa proportional der Propellerdrehzahl ist die Bootsgeschwindigkeit. Beim Anfahren steigt das Propellerdrehmoment bei wachsender Bootsgeschwindigkeit entsprechend dem wachsenden Bootswiderstand steil an und erreicht vor dem Austauchen einen ersten Maximalwert A. Durch die Widerstandsverminderung beim allmählichen Austauchen sinkt die Drehmomentaufnahme des Propellers trotz wachsender Bootsgeschwindigkeit und Propellerdrehzahl ab, ist bei gerade ganz ausgetauchtem Bootskörper am niedrigsten (B) und steigt mit wachsender Bootsgeschwindigkeit wieder an. Die für das Boot aus strömungstechnischen Gründen (Kavitation an den Flügeln) begrenzte wirtschaftliche Dauergeschwindigkeit wird bei der Propellerdrehzahl n tief C erreicht C. Der Antriebsmotor ist6 aus Gründen eines wirtschaftlichen Betriebes und eines niedrigen Gewichtes so bemessen, dass seine Dauerleistung gerade der aufgenommenen Propellerleistung bei dieser Bootsgeschwindigkeit entspricht. Die gegebenenfalls auf die Propellerwelle reduzierte Motor-Drehmomentkurve M tief M schneidet die Propellerkurve m tief P in C (Auslegungspunkt). Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass bei fester Übersetzung zwischen Motor und Propeller dann das beim Austauchbeginn (A) erforderliche Propellermoment vom Motor nicht aufgebracht werden kann. Durch den neuerungsgemäß zwischen Motor und Propellerwelle eingebauten Drehmomentwandler kann der Motor vom Stillstand des Propellers bis zu seiner Drehzahl n tief C bei Dauergeschwindigkeit mit seiner Dauerleistung betrieben werden. Damit steht an der Propellerwelle das Wandlerabtriebsmoment M tief W zur Verfügung, das bis zum Schnittpunkt mit der Propellerkurve D nahe der Dauergeschwindigkeit über dem Drehmomentbedarf M tief P des Propellers liegt. Im Punkt D wird dann durch die neuerungsgemäß in der Übertragungsvorrichtung angeordnete Reibungskupplung der Wandler überbrückt, womit die Wandlerverluste ausgeschaltet werden und nunmehr das in diesem Bereich höhere Motordrehmoment an der Propellerwelle zur Verfügung steht.

In Tragflächenbooten für besondere Einsatzzwecke, die zeitweise eine weit höhere Geschwindigkeit als die wirtschaftliche Dauergeschwindigkeit erreichen sollen und die dafür mit einer zusätzlichen Antriebsmaschine, z.B. einer Gasturbine, ausgerüstet sind, ist zweckmäßig die Gasturbine, gegebenenfalls über ein Anpassungsgetriebe, direkt an die Propellerwelle kuppelbar. Dabei ergibt sich durch den neuerungsgemäß zwischen Antriebsmotor und Propellerwelle angeordneten Wandler der Vorteil, dass bei nun wieder geöffneter Überbrückungskupplung der Antriebsmotor mit seiner Dauerleistung bei gleich bleibender Drehzahl, d.h. in seinem wirtschaftlichsten Betriebsbereich, weiterbetrieben werden kann. Der Wandler ist neuerungsgemäß so ausgelegt, dass seine Abtriebsdrehzahl die Antriebsdrehzahl bei noch gutem Wirkungsgrad übersteigt, wobei dann allerdings das Wandlerabtriebsmoment mit wachsender Propellerdrehzahl weiter absinkt (Kurve M tief W). Das fehlende Moment zwischen Kurve M tief W und M tief P wird nun von der Gasturbine aufgebraucht, bis die höchste Leistung der Gasturbine und damit die höchste Propellerdrehzahl und Bootsgeschwindigkeit bei E erreicht wird.

In der Fig. 2 ist die Antriebsvorrichtung eines Tragflügelbootes schematisch dargestellt. Ein Verbrennungsmotor, vorzugsweise ein Dieselmotor 11, treibt über ein Getriebe 12 die Propellerwelle 13 mit Propeller 14 an. Für höchste Geschwindigkeiten ist eine Gasturbine 15 über ein Anpassungsgetriebe 16 mit der Propellerwelle 13 kuppelbar.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Getriebes zwischen dem Dieselmotor 11 und der Propellerwelle 13. Die Getriebeantriebswelle 17 treibt über eine ins Schnelle übersetzende Zahnradstufe 18/19 die Getriebehauptwelle 20 an. Mit der Hauptwelle 20 drehfest verbunden sind das Wandlerpumpenrad 21 eines hydrodynamischen Wandlers 22, die eine Hälfte einer Reibkupplung 23 mit den Reibscheiben 24 und die eine Hälfte einer weiteren Reibkupplung 25 mit einer Reibscheibe 26. Beide Kupplungen 23 und 25 sind zu einer Doppelkupplung zusammengefasst und werden mit einer gemeinsamen Druckplatte 27 geschaltet. Die andere Hälfte der Kupplung 23 mit Reibscheiben 28 ist mit dem Turbinenrad 29 des Wandlers 22 durch eine konzentrisch zur Getriebehauptwelle 20 angeordnete Hohlwelle 30 verbunden, auf der ein Zahnrad 31 drehfest angeordnet ist. Die andere Hälfte der Kupplung 25 mit einer Reibscheibe 32 ist durch eine ebenfalls konzentrisch zur Getriebehauptwelle 20 angeordnete weitere Hohlwelle 33 mit einem Zahnrad 34 verbunden. Das Zahnrad 31 steht über ein Zwischenrad 35 mit einem Zahnrad 36 in Triebverbindung, das auf einer Getriebenebenwelle 37 fest angeordnet ist. Das Zahnrad 34 kämmt direkt mit einem Zahnrad 38, das ebenfalls fest auf der Getriebenebenwelle 37 angeordnet ist. Mit dem Zahnrad 36 kämmt ein weiteres Zahnrad 39, das auf der Getriebeausgangswelle 40 sitzt. Mit der Getriebeausgangswelle 40 ist eine konzentrisch zu dieser angeordnete weitere Welle 41, die über das Anpassungsgetriebe 16 von der Gasturbine 15 getrieben wird, durch eine Überholklauenkupplung 42 kuppelbar.

Zum Anfahren des Tragflügelbootes sind beide Kupplungen gelöst, und bei gefülltem Wandler 22 wird die Motorleistung von der Getriebeantriebswelle über die Zahnradstufe 18/19, Getriebehauptwelle 20, Wandler 22, Hohlwelle 30 und Zahnräder 31, 35, 36, 39 auf die Getriebeabtriebswelle 40 übertragen. Nach dem Austauchen des Bootes wird die Kupplung 23 eingerückt, wodurch der Wandler 22 überbrückt wird, so dass nun die Motorleistung rein mechanisch von der Getriebeantriebswelle 17 über Zahnradstufe 18/19, Getriebehauptwelle 20, Kupplung 23, Hohlwelle 30 und Zahnräder 31, 35, 36 und 39 auf die Getriebeabtriebswelle übertragen wird. Für höchste Geschwindigkeit wird die Überholklauenkupplung 42 angelegt, die beim Hochfahren der Gasturbine etwa bei Drehzahlgleichheit der Welle 41 mit der Getriebeabtriebswelle in Eingriff geht, und die Kupplung 23 wird wieder gelöst. Damit steht nun an der Getriebeabtriebswelle 40 die Leistung des Antriebsmotors 11 und die Leistung der Gasturbine zur Verfügung.

Zum Rückwärtsfahren ein Manövrieren des Bootes wird die Kupplung 25 eingerückt. Dabei führt der Kraftfluß rein mechanisch von der Getriebeantriebswelle 17 über Zahnradstufe 18/19, Getriebehauptwelle 20, Kupplung 25, Hohlwelle 33, Zahnräder 34/38, Getriebenebenwelle 37 und Zahnräder 36, 39 auf die Getriebeabtriebswelle 40. Da zum Rückwärtsfahren weder große Geschwindigkeiten erforderlich sind, noch das Tragflügelboot zum Gleiten kommen kann, benötigt der Propeller kein hohes Drehmoment, und es ist somit nicht nötig, über den Wandler 22 zu fahren, und die Kupplung 25 kann entsprechend klein dimensioniert sein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Getriebes zwischen dem Motor und der Propellerwelle zeigt die Fig. 4. Dieses Getriebe enthält neuerungsgemäß einen Wandler mit zentripetaler Turbine, der einerseits durch einen etwas günstigeren Wirkungsgradverlauf über den gesamten Drehzahlbereich, andererseits durch die Drehzahldrückung des Motors bei kleinen Wandlerabtriebsdrehzahlen einen besonders wirtschaftlichen Betrieb der Antriebsvorrichtung ermöglicht. Die dabei in Kauf genommene kleinere Momentverstärkung bei kleinen Wandlerabtriebsdrehzahlen bedeutet für diesen Anwendungsfall keinen Nachteil, da bei den entsprechend kleinen Propellerdrehzahlen ohnehin ein großer Momentüberschuß an der Propellerwelle besteht. Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 treibt die Getriebeantriebswelle 43 über eine ins Schnelle übersetzende Zahnradstufe 44/45 die eine Hälfte einer Reibungskupplung 46 mit Reibscheiben 47 und das Pumpenrad 48 eines Wandlers 49. Das Wandlerturbinenrad 50 sowie die zweite Hälfte der Reibungskupplung 46 mit Reibscheiben 51 und Druckplatte 52 sind drehfest mit einer Getriebewelle 53 verbunden. Außerdem ist auf der Getriebewelle 53 ein Zahnrad 54 fest angeordnet, das über ein Zwischenrad 55 mit einem Zahnrad 56 auf der Getriebeabtriebswelle 57 in Triebverbindung steht. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist mit der Getriebeabtriebswelle 57 eine konzentrisch zu dieser angeordnete weitere Welle 58, die über das Anpassungsgetriebe 16 von der Gasturbine 15 getrieben wird, durch eine Überholklauenkupplung 59 kuppelbar. Neuerungsgemäß ist im Wandler 49 ein in den Kreislauf einschiebbares Rückwärtsleitrad 60 angeordnet, das sich im ausgeschalteten Zustand in einem Gehäuse 61 im Kern des Wandlers 49 befindet. Das Gehäuse 61 ist über das Leitrad 62 fest mit dem Getriebegehäuse verbunden.

Zum Anfahren ist die Reibungskupplung 46 ausgerückt, und bei gefülltem Wandler wird die Motorleistung von der Getriebeantriebswelle 43 über die Zahnradstufe 44/45, Wandler 49, Getriebewelle 53, Zahnräder 54, 55, 56 auf die Getriebeabtriebswelle 57 übertragen. Nach dem Austauchen des Bootes wird die Reibungskupplung 46 eingerückt, der Wandler 49 entleert, und der Kraftfluß verläuft nun von der Getriebeantriebswelle 43 über Zahnradstufe 44/45, Reibungskupplung 46, Getriebewelle 53, Zahnräder 54, 55, 56 zur Getriebeabtriebswelle 57.

Für höhere Geschwindigkeiten wird, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, die Reibungskupplung 46 ausgerückt, der Wandler 49 wieder gefüllt und die Überholklauenkupplung 59 angelegt, die etwa bei Drehzahlgleichheit der Getriebeabtriebswelle 57 und der Welle 58 in Eingriff geht.

Zum Rückwärtsfahren sind die Reibungskupplung 46 und die Überholklauenkupplung 59 ausgerückt und das Rückwärtsleitrad 60 des Wandlers 49 in den Kreislauf eingerückt. Bei gefülltem Wandler 49 wird die Motorleistung wie beim Anfahren von der Getriebeantriebswelle 43 auf die Getriebeabtriebswelle übertragen, jedoch läuft die Getriebewelle 53 und somit auch die Getriebeabtriebswelle 57 durch das eingerückte Rückwärtsleitrad 60 in entgegengesetzter Drehrichtung.

Claims (6)

1. Antriebsvorrichtung für Gleit- oder Tragflügelboote mit Antrieb durch Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet durch einen hydrodynamischen Drehmomentwandler zwischen Verbrennungskraftmaschine, z.B. einem Dieselmotor, und Propellerwelle zur Erhöhung des vom Dieselmotor abgebbaren Momentes auf das beim Anfahren des eingetauchten Bootes erforderliche höhere Propellerdrehmoment und zum Betrieb des Dieselmotors mit höchster Leistung bei höchster Drehzahl beim Austauchen.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wandler mit zentripetaler Turbine mit fallender Momentaufnahme bei steigender Abtriebsdrehzahl und mit seinem Wirkungsgradmaximum bei einer Abtriebsdrehzahl, die etwa der Propellerdrehzahl beim Austauchen des Bootes entspricht.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer zuschaltbaren weiteren Verbrennungskraftmaschine, z.B. einer Gasturbine, zur Erhöhung der Propellerdrehzahl bei erhöhtem Geschwindigkeitsbedarf des Bootes, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine an die Propellerwelle kuppelbar ist, gegebenenfalls über eine Zahnradübersetzung zur Anpassung der Gasturbinendrehzahl an die Propellerdrehzahl, und dass das Drehzahlverhältnis der Ausgangswelle zur Eingangswelle des Wandlers bei ausreichendem Wandlerwirkungsgrad über den Wert 1 hinaus reicht, so dass die Höchstdrehzahl des Dieselmotors bei erhöhter Propellerdrehzahl nicht überschritten wird.

4. Antriebsvorrichtung nach einem Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Reibkupplung (24, 46) zum Überbrücken des Wandlers nach dem Austauchen bei normaler Marschfahrt.

5. Antriebsvorrichtung nach einem Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wandler und der Propellerwelle ein Wendegetriebe (25, 34, 38) angeordnet ist.

6. Antriebsvorrichtung nach einem Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein in den Kreislauf einschiebbares Rückwärtsleitrad (60) zum Manövrieren des Bootes aufweist.