DE2016209A1

DE2016209A1 - Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge

Info

Publication number: DE2016209A1
Application number: DE19702016209
Authority: DE
Inventors: Reinhart Dr.-Ing. 1000 Berlin; Mertig Dieter Dipl.-Ing. 2000 Hamburg. P Radebold
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-04-04
Filing date: 1970-04-04
Publication date: 1971-11-11

Description

'2Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge" Die Erfindung betrifft einen Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge.
Wasserstrahlantriebe sind an sich bekannt. Bei einer Gruppe derartiger Antriebe wird mittels einer Wasserpumpe mechanische Energie auf das sie durchströmende Wasser übertragen und dadurch der für die Fortbewegung des Wasserfahrzeuges erforderliche Schub erzeugt. Die Wasserpumpen sind dabei in Kanälen angeordnet, die innerhalb oder unterhalb des Schiffskörpers vorgesehen sind.
Eine andere Gruppe von Strahl antrieb en erzeugt den Vortrieb dadurch, daß durch Einblasen von Druckluft die das Triebwerk durchströmende Wassermasse beschleunigt wird.
Die obengenannten Wasserstrahlantriebe sind dadurch charakterisiert, daß bei ihnen die primär zur Verfügung stehende Wärmeenergie über eine herkömmliche Kraftmaschine zunächst invmechanische Energie umgewandelt wird. Die mechanische Energie wird danach mit Hilfe einer Arbeitsmaschine auf das Wasser übertragen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Umweg der Erzeugung der mechanischen Energie mitte einer Kraftmaschine vermieden und die Übertragung der mechanischen Energie auf claus Wasser vereinfacht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein heißer Gasstrahi seine Energie unmittelbar auf einen Wassermassenstrom überträgt. Als Primärantrieb kann ein Aggregat dienen, das im Prinzip einen heißen Gasstrahl hoher Geschwindig keit erzeugen kann. Hierfür kann beispielsweise eine Gasturbine vorgesehen werden. Weiterhin wird dem Gasstrahl unmittelbar hinter dem Primäraggregat auf einem gegenüber der Umgebung erhöhten Druck ein erster Teilwassermflssenstrom zugeführt sind dadurch eine Zweiphasen-Zweikomponenten-Strömung erzeugt. Diese wird einer Düse zugeführt, der ein Ejektor zur ZufI,hrung eines zweiten Teilwassermassenstromes nachgeschaltet ist, Der gesamte Wassermassenstrom wird atischließeiid einem Diffusor zugeleitet, hinter dem eine Abzweigleitung vorgesehen ist, die zur Riickführung des dem Gasstrahl beizumischenden ersten Teilwassermassenstromes dient. Bei zu geringen Drücken im Diffusor kann e s zweckmänig sein, in die Abzweigleitung eine Förderpumpe einzubauen.
Der vom Diffusor abgezweigte Teilwassermassenstrom kann a der Zweiphasen-Zweikomponenten-Düse eine regenerative Vorwärnla ng erfahren.
Jedoch kann dieser Teilwassermassenstrom, der unmittelbar hinter dem Primäraggregat zugeführt wird, auch durch eine Pumpe dem Fahrwasser entnommen werden, wobei der Pumpenantrieb fremd oder durch das Primäraggregat erfolgt.
Zur Änderung der Fahrgeschwindigkeit kann eine Steuerung der Teilwassermassenströme vorgesehen sein.
Der Antrieb nach dr Erfindung weist gegenüber dem bekannten den Vorteil der kleineren Bauform und der sofortigen Startbereitschaft auf. lieiterhin wird ein gutes Leistungsgewicht durch IntegratAon von Kraft- und Arbeitsmaschine erzielt.
Schließlich kann der Antrieb mit logistischen Brennstoffen betrieben werden.
An Hand des in der Zeichnung dargestellten Schemas eines Strahlantriebes nach der Erfindung sollen nähere Erläuterungen gegeben werden.
Das System ist ein offener Kreislauf und besteht im wesentlichen aus vier Hauptbestandteilen: Gasturbine 1, Zweiphasen-Zweikomponenten-Düse 2, Ejektor 3 und Wasserdüse 4. Die offene Gasturbine 1 besitzt annähernd den Aufbau eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes für Flugzeuge, nur daß sie wesentlich kleiner und einfacher gebaut ist. Sie besteht aus dem Verdichter 5, in den die Kaltluft in Pfeilrichtung eintritt, der Brennkammer 6 und der Turbine 7. Die Verwendung einer Gasturbine als Primäraggregat besitzt gegenüber den herkömmlichen Strahlantrieben den Vorteil, daß sie mit logistischen Brennstoffen betrieben werden kann. Ein bestimmter Brennstoff ist also nicht erforderlich. Außerdem hat eine Gasturbine eine hohe Leistungsdichte, d.h. auf kleinem Raum mit geringem Gewicht wird eine hohe Leistung erzielt. Diese Leistung kann sehr kurzzeitig und unter allen Witterungsbedingungen (Temperatur, Dichte) zur Verfügung gestellt werden.
Die bei der Verbrennung freiwerdende Energie wird nicht nur in Wellenarbeit, sondern auch in kinetische Energie des mit hoher Geschwindigkeit austretenden heißer Gasstrahls umgewandelt. Dieser Heißgasstrahl ist für den Antrieb eines Schwimmkörpers wegen seiner hohen Geschwindigkeit und geringen Masse jedoch noch nicht geeignet. Ein Veredelungsprozeß muß sich daher anschließen. Aus diesem Grunde wird der aus der Turbine austretende Heißgasstrom auf erhöhtem Druckliiveau einer Zweikomponenten-Zweihasen-Diise 2 zugeführt, in die über einen Einspritzkopf o Wasser eingespritzt wird. Dieser Wassermassenstrom kann mittels einer Pumpe, deren Wirkrichtung durch den Pfeil 9 angedeutet ist, dem Fahrwasser entnommen werden. Der Pumpenantrieb kann entweder durch ein besonderes Aggregat oder durch das Primäraggregat 1 unmittelbar erfolgen. Es ist aher auch möglich, aus der Wasserdüse 4 über eine Leitung 10 den für die Einspritzung erforderlichen Teilwassermassenstrom zu entnehmen.
Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, in die Rückführleitung 10 eine Pumpe 11 anzuordnen, um bei nur geringem Druck in der Wasserdüse eine sichere Rückführung des Teilwassermassenstromes in den Einspritzkopf 8 zu erzielen. Die beiden in die Düse 2 eintretenden Komponenten sind also Luft und Wasser, die beiden Phasen gasförmig und flüssig. Der hociienergetische Heißluftstrahl beschleunigt das eingespritzte Wasser, das bei der nachfolgenden Expansion in der Düse 2 teilweise verdampft. Der Dampfanteil trägt zusätzlich zur Beschleunigung bei. Die jetzt nebelförmige Zweiphasünströmung tritt in den Ejektor 3 ein.
In dem Ejektor 3 wird nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe huber eine Ringspaltdüse 12 kaltes Wasser (zweiter Teilwassermassenstrom) angesaugt und ein konvergenter Hohlstrahl erzeugt. Dieser Hohlstrahl addiert stich einerseits zu dem ersten Teilwnssermasenstrom, zum anderen kondensiert er die nelelförmige Strömung quasi reibungsfrei. Diese Kondensation ist notwendig, um den Dampfanteil auszuschalten, der eine Vergrößerung des Düsenquerschnittes zur Folge hätte. Der jetzt flüssige gesamte Wassermassenstrom, der einen sehr geringen Gasanteil aufweist, strömt durch eine Wasserdüse 4 nach außen und erzeugt den notwendigen Vortrieh fiir das Fahrzeug.
Der gesamte Wassermassenstrom tritt aus dem Ejektor 3 in den Einfangdiffusor 13 der Wasserdüse 4 ein, in dem die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt und ein höherer Druck aufgebaut wird.
Von der Stelle des höchsten Druckes in der Wasserdüse 4 wird gegebenenfalls über die oben erwähnte Leitung 10 der erste Teilwassermassenstrom in den Einspritzkopf 8 zurückgefdhrt An der Zweiphasen-Zweikomponenten-Düse 2 kann dieser Teilwassermassenstrom regenerativ vorgewärmt werden.
An den Diffusor 13 ist eine Düse 14 angeschlossen, die den verbleibenden Wassermassenstrom auf eine gering über der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeuges liegende Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt.
Bei Strahlenantrieb nach der Erfindung erfolgt die Energieübertragung nach der obigen Beschreibung in zwei Stufen: a) Unmittelbar hinter dem Heißgaserzeuger wird ein erster Teilwassermassenstrom dem Heißgasstrom zugeführt. Durch Expansion und Impulsaustausch wird in einer Zweiphasen-Zweikomponenten-Düse eine beschleunigte Mischströmung erzeugt.
b) Danach wird in einem Ejektor ein zweiter Teilwassermassenstrom angesaugt. Die aus der Düse kommende schnelle Strömung überträgt durch Impulsaustausch ihre Energie an diesen Wassermassenstrom und beschleunigt ihn. Die resultierende Gesamtströmung kann jetzt über eine Schubdüse Arbeit an einem Wasserfahrzeug verrichten.
Die Drehzahlregelung der Turbine weist keine Probleme auf, da die Geschwindigkeit des Fahrzeuges nicht über die Umdrehungen der Turbine geregelt wird. Vielmehr erfolgt die Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit über die ausgestoßene Wassermenge. Daher kann auch die Turbine bei der für den Brennstoffverbrauch und die Lebensdauer günstigsten Drehzahl gefahren werden.
Weiterhin ist als Vorteil der relativ einfache Aufbau des Diisensystems zu nennen, das nur aus feststehenden Teilen besteht, die keiner besonderen Wartung bedürfen. Die mit der Aufgabenstellung verbundene Voraussetzung, keine über den Fahrzeugboden hinausragenden Teile für einen derartigen Schwimmkörperantrieb zuzulassen, ist mit dem beschriebenen Antriebsystem erfüllt worden.
Schließlich soll noch erwähnt werden, daß es zur Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit ausreichend ist, entweder den zurückgetührten Teilwassermassenstrom oder den unmittelbar am Einspritzkopf angesaugten Teilwassermassenstrom zu steuern. Die Fahrtrichtung ist durch Schwenken der Schubdüse zu ändern.
6 Seiten Beschreibung 13 Patentansprüche 1 B1. Zeichnung mit 1

Claims

Patentansprüche i.) Strahlenantrieb für Wasserfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß ein heißer Qasstrahl seine Energie unmittelbar auf einen Wassermassenstrom überträgt.
2.) Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärantrieb ein Aggregat zur Erzeugung eines heißen Gasstrahls hoher Geschwindigkeit dient.
3.) Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrahl unmittelbar hinter dem Primäraggregat auf einem zur Umgebung erhöhten Druckniveau ein erster Teilwassermassenstrom zugeführt wird.
4.) Strahlantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Komponenten in eine Zweiphasen-Zweikomponenten-Düse eintreten.
5.) Strahlantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweiphasen-Zweikomponenten-Dilse ein Ejektor zur Zumischung eines zweien Teilwassermassenstromes nachgeschaltet ist.
6.) Strahlantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Wassermassenstrom einem Diffusor zugeführt wird.
7.) Strahlantrieb nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Diffusor eine Abzweigleitung vorgesehen ist, die zur Rückführung des dem Gas stahl beizumischenden ersten Teilwassermassenstromes dient.
8,) Strahlantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abzweigleitung zusätzlich eine Förderpumpe eingebaut ist.
9.) Strahlantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte erste Teilwassermassenstrom an der Zweiphasen-Zweikomponenten-Düse eine regenerative Vorwärmung erfährt.
10.) Strahlantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilwassermassenstrom durch eine Pumpe dem Fahrwasser entnommen wird, wobei der Pumpenantrieb fremd oder durch das Primäraggregat erfolgt.
11.) Strahlantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Diffusor eine Düse zur Erzeugung des Vortriebs angeschlossen ist.
12.) Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassermassenstrom zur Änderung der Fahrgeschwindigkeit steuerbar ist.
13.) Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vortrieberzeugende Schubdüse zur Fahrtrichtungsänderung schwenkbar gelagert ist.