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'2Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge" Die Erfindung betrifft einen
Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge.
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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.
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Eine andere Gruppe von Strahl antrieb en erzeugt den Vortrieb dadurch,
daß durch Einblasen von Druckluft die das Triebwerk durchströmende Wassermasse beschleunigt
wird.
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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.
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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.
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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.
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Der vom Diffusor abgezweigte Teilwassermassenstrom kann a der Zweiphasen-Zweikomponenten-Düse
eine regenerative Vorwärnla ng erfahren.
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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.
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Zur Änderung der Fahrgeschwindigkeit kann eine Steuerung der Teilwassermassenströme
vorgesehen sein.
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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.
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Schließlich kann der Antrieb mit logistischen Brennstoffen betrieben
werden.
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An Hand des in der Zeichnung dargestellten Schemas eines Strahlantriebes
nach der Erfindung sollen nähere Erläuterungen gegeben werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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An den Diffusor 13 ist eine Düse 14 angeschlossen, die den verbleibenden
Wassermassenstrom auf eine gering über der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeuges
liegende Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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6 Seiten Beschreibung 13 Patentansprüche 1 B1. Zeichnung mit 1