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Antriebs- und Steuersystem für ein mit mit einem Raupt- und einem
Zusatzantriebssystem ausgestatteten Hochleistungsschiff Die Erfindung bezieht sich
auf ein Antriebs- und Steuersystem für ein mit einem Haupt- und einem Zusatzantriebssystem
ausgestatteten Hochleistungsschiff mit unter der Wasseroberfläche beiderseits des
Kiels angeordneten schwenkbaren Ausstoßdüsen.
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Es ist bekannt, Hochleistungsschiffe aufgrund der zeitlich stark
unterschiedlich benötigten Antriebsleistung mit mehreren verschiedenen Antriebssystemen
auszustatten, so daß je nach Bedarf einzelne Antriebsaggregate zu- bzw. abgeschaltet
werden können. Es werden bekanntlich Dieselmotoren als Marschtriebwerke oder als
Hauptantriebssystem, Gasturbinen als Triebwerke, bzw. Hilfsantriebssysteme für Sondermanöver
wie Beschleunigung, Abstoppen oder starke Richtungsänderung eingesetzt. Beide Antriebssysteme
bedienen sich je eines Schraubenantriebes mit einem Steuerruder. Die höheren spezifischen
Brennstoffverbrauche spielen bei den den kleinen Einsatzzeiten eine untergeordnete
Rolle.
Fur Schiffe ist ein Düsenantrieb bekannt, der mit einer schwenkbaren
Hauptantriebsdüse für die Vorwärtsfahrt und einer festen Bremsdüse unterhalb des
Schiffsbodens ausgerüstet ist, wobei das in einem Verdichter komprimierte und aus
den Düsen strömende, ausgestoßene und sich entspannende Medium, das aus einem Luft-
oder Gas strahl besteht, zum Antrieb und/oder zur Steuerung des Schiffes dienen
soll (DAS 1 o92 802).
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Ferner ist ein Antriebs- und Steuersystem für Dampf schiffe bekannt,
bei dem von einem Dampfkessel Leitungen zu Düsen führen, welche sich in am Schiffsboden
längsseitig angeordneten Rohren befinden. Aufgrund des aus den Düsen in die Rohre,
in denen sich Seewasser befindet, ausgestoßenen Wasserdampfes wird das Schiff fortbewegt.
Die Steuerung des Schiffs geschieht durch seitlich am Schiffsrumpf angeordneten
Düsen (Britische Patentschrift 119 310).
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Diese Systeme vermögen nicht die kurzzeitig geforderte hohe Schubleistung
für oben genannte Sondermanöver aufzubringen.
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Ferner sind zum Antrieb von Schiffen Heißwasserraketen bekannt, bei
denen #### der Nachteil beschränkter Betriebsbereitschaft in Kauf genauen werden
muß. Je nach Bauaufwand kann eine Heißwasserrakete nur einmal oder einige Male in
Betrieb genommen werden und benötigt darin längere Zwischenintervalle zur erneuten
Aufh@izung der Wassermengen, die zum gewünschten Antrieb notwendig sind.
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Bei einem chemischen Raketenantrieb für Schiffe wird mit mittelenergetischen,
lagerfähigen Treibstoffen der Treibstoffverbrauch untragbar hoch sein. Eine Senkung
des Treibstoffverbrauches, allerdings bei gleichzeitiger Abnahme des spezifischen
Impulses kann durch Zumischung von Seewasser in die Brennkammer erreicht werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebs-und Steuersystem
für ein mit einem Haupt- und einem Zusatzantriebssystem ausgestatteten Hochleistungsschiff
zu schaffen, das bei sofortiger Betriebsbereitschaft und niedrigem Brennstoffverbrauch
höchste Leistungen ermöglicht, so daß größtmögliche Verzögerungen bzw. Beschleunigungen,
sowie jede gewünschte Schubrichtung des Schiffes gewahrleistet sind.
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Zur Lösung dieser iufgabe wird vorgeschlagen, daß ein chemischer Raketenantrieb
mit Hochdruckwassereinspritzung bzw. ein Ejektor mit einen Niederdruckwassereinspritzsystem
für den Wasserstrahlantrieb integriert ist, wobei als Hauptantriebssystem der Wasserstrahlantrieb
und als Zusatzantriebssystem für Sondermanöver der Raketenantrieb mit Hochdruckwassereinspritzung
verwendbar ist.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß einer Raketenbrennkammer
eine Mischkammer folgt, an deren brennkammerseitigen Stirnwand ein Hochdruck-Wassereinspritzsystem
und an
deren Mantelfäche ein Niederdruckwassereinspritzsystem für
den Wasserstrahl-Betrieb angeordnet ist, wobei die weiter sich anschließende an
sich bekannte Expansionsdüse als Treibdüse in einen Ejektor hineinragt, der in die
außerhalb des Schiffsbodens angeordnete, in horizontaler Richtung schwenkbare Ausstoßdüse
mündet.
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Soll das Schiff die normale Marschgeschwindigkeit einhalten, laufen
die von den Gasturbinen angetriebenen Treibstoff-Hochdruckwasserpumpen leer mit.
Die Seewasserzufuhr über das Niederdruckeinspritzsystem für den Wasserstrahlbetrieb
gewährleistet einen ausreichenden Schub. Das aus der Treibdüse beschleunigt austretende
Seewasser saugt weiteres aus dem Einlauf zuströmende Seewasser an, wodurch der Durchsatz,
folglich die Druckenergie und der Schub sich vergrößern. Das Seewasser hoher Energie
wird am Ende des Ejektors zur schwenkbaren Ausstoßdüse umgelenkt, wo es als Reaktionsmittel
zum Antrieb des Schiffes dient.
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Für Sondermanöver des Schiffes wird das Raketensystem in Betrieb gesetzt.
Hierbei werden die Treibstoffkomponenten (Brennstoff-und Oxidator) mit Hilfe der
zugehörigen Treibstoffpumpen unter hohem Druck in Leitungen zur Raketenbrennkammer
gefördert, wo sie gezündet werden und verbrennen. Den verbrennenden Treibstoffen
wird stromaufwärts an der Stirnwand der Mischkammer Wasser unter hohem Druck eingespritzt,
welches von den Hochdruckpumpen
gefördert wird. Dadurch wird erreicht,
daß bei gleich grobem Schub, der z.B. dem Schub einer reinen Rakete; ohne Ejektor
entspricht, ein wesentlich geringer Treibstoffverbrauch erzielbar ist.
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Mit zunehmender Vorheizung des Einspritzwassers nimmt der Treibstoffverbrauch
ständig ab, bis er für die Heißwasserrakete mit Aufheizung des Einspritzwassers
durch die Turbinenabgase zu Null wird. Da die Aufheizung naturgemäß den Nachteil
mit sich bringt, daß das Einspritzwasser (i.a. Beewasser) nicht erst während des
Betriebes des Hilfsantriebssystems in den erforderlichen Mengen aufgeheizt werden
kann, um die gewünschte volle Schubhöhe fur die erforderliche Schußfrequenz zu erreichen,
wird weiterhin vorgeschlagen, das Raketenantriebssystem mit einer Heißwasserrakete
zu kombinieren, wobei zur Vorheizung des bei Rakenbetrieb in die Mischkammer einzuspritzenden
Hochdruckwassers die Abgaswärme der Gasturbinen verwertende und als Druckbehälter
ausgebildete Wärmetauscher angeordnet sind. Die Behälteranlage läßt sich bei starker
Aufheizung so auslegen, daß sich große Pumpen fiir die Wassereinspritzung erübrigen
und nur kleine Wasserpumpen für das erneuts Auffüllen der Behälter mit kaltem Wasser
erforderlich sind. Für die erforderliche Schubdüse ist bei einem bsstimmten Aufheizungsgrad
des einzuspritzenden Seewassers eine entsprechend verminderte Treibstoffmenge für
den Raketenantrieb zuzumessen. Der Aufheizungsgrad des Seewassers wird durch die
Zeit bestimmt, die bis zum nächsten folgenden Schuß für ein Sondermanöver verstreicht.
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In der Mischkammer wird aufgrund des Wärmetauschers zwischen Treibstoffgasen
und Einspritzwasser ein Wasserdampf- Gas-Gemisch gebildet, das sich in der Treibdüse
entspannt. Der spezifische Impuls entspricht demjenigen einer Rakete ohne Wassereinspritzung.
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Aus der Treibdüse (Expansionsdüse) des Raketensystems treten die Gase
selbst bei starker Wassereinspritzung noch mit sehr hoher Geschwindigkeit aus, was
eine entsprechende Verlustenergie bedingt. Der Durchsatz kann durch Wassereinspritzung
über ein Durchsatzverhältnis mw/mR # 1,5 hinaus nicht mehr sehr gewinnbringend gesteigert
werden, da dann Kondensation in der Düse auftritt und die Expansion sich verschlechtert.
Im Durchsatzverhältas bedeuten N den Einspritzwasserdurchsatz und mR den Raketentreibstoffsatz.
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Eine Möglichkeit den Durchsatz weiter zu vergrößern, ist durch das
erfindungsgämäße Nachschalten eines Ejektors bzw. mehrerer hintereinander geschaateter
Ejektorstufen gegeben, in denen die Geschwindigkeitsenergie dazu benutzt wird, zusätzliche
Masse zu beschleunigen Als Zumischungsmedium für den Ejektor stehen Luft oder Wasser
zur Verfügung, wobei zu beachten ist, daß die Luft eine ähnlich große Dichte wie
das als Treibgas verwendete Raketengas-Wasserdampf-Gemisch besitzt, und daher bessere
Ejektor@irkungsgrade aufweist als Wasser, dessen Dichte ein Vielfaches der Treibgasdichte
beträgt. Da jedoch mit abnehmendem
Geschwindigkeits- und Dichteverhältnis
von Treibstrahl zu Fördermittel (Zumischungsedium) der Ejektorwirkungsgrad zunimmt,
wird bei starker Wassereinspritzung, bei welcher infolge Abkühlung im Ejektor Kondensation
des Wasserdampfanteiles im Treibstrahl auftritt, dessen kinetische Energie nicht
geändert, und da hingegen die Dichte des Kondensats sehr stark zunimmt, wobei ein
Dichteverhältnis von annähernd 1 vorliegt, wird der Energieaustausch begünstigt.
Um den Ejektorwirkungsgrad zu verbesseren und somit höhere Leistungen zu erzielen,
wird weiterhin vorgeschlagen, mehrere einzelne Ejektorstufen hintereinander zu schalten.
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Diese Triebwerkskombinationen stellen in jedem Falle selbständige
Antriebssteuersysteme dar, die es ermöglichen, das Schiff mit Marschgeschwindigkeit
fortzubewegen und zusätzlich binnen kurzester Zeit mit dem Schiff Sonderxanöver
durchzuführen, wobei der Treibstoffverbrauch auf ein Minimum beschränkt bleibt und
die sofortige Betriebsbereit schaft des Antriebes bei vollem Schub durch die Verwendung
eines dem primären Raketentriebwerk nachgeschalteten Ejektors gewährleistet.
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Die beiderseits des Kiels angeordneten schwenkbaren jusstoßdüsen ersetzen
zusätzlich das bekannte übliche Steuerruder, womit das Steuersystem auf einfache
Weise mit dem Antriebssystem koordiniert ist. Als weiterer Vorteil der Erfindung
tritthinzu, daß mehrere Übersetzungsgetriebe @owie der Verstellpropeller vermieden
werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt des Hecks eines Schiffes im Grundriß,
welches teils mit einem konventionellen Antriebssystem und teils mit dem erfindungsgemaßen
Antriebs- und Steuersystem ausgerüstet ist.
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Pig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Antriebssystem im Schnitt II/II
der Fig. 1.
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In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Antriebssystem (untere Hälfte)
der bis heute gebräuchlichen Normalausführung (obere Hälfte) gegenübergestellt.
Da der Hauptlängsachse des Schiffes ist der Verstellpropeller 19 des Hauptantriebssystems
angeordnot, welcher über die Welle 17 unter Zwischenschaltung unter mehreren Getrieben
6 von zwei Dieselmotoren D angetrieben wird.
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Für Sondernanöver werden die Gasturbinen GT1 in Betrieb gesetzt, welche
über die Getriebe G und über die Welle 18 den Verstellpropeller 20 antrieben. Die
Gasturbinen werden über die Leitungen 23a vom Treibstoffbehälter 21 mit Brennstoff
versorgt Die untere Hälfte in Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Hauptantriebssystem und das Zusatzantriebssystem sowie das Steuersystem sind
in einer Einheit zusammengefaßt.
Zwischen der Schiffslängsachse
und der Seitenwans 24 liegen zwei Gasturbinen GT 2 parallel nebeneinander, auf deren
Abtriebswellen 16a und 16b je eine Treibstoffpumpe lla, lib, Hochdruckwasserpumpe
10a, 10b und Niederdruckwasserpumpe 9a, 9b geschaltet ist. Im Heck des Schiffes
ist in eine Abstand beidorseits des Kiels senkrecht zum Schiffsboden 24a (Fig. 2)
das erfindungsgemäße Antriebs- und Steuersystem angeordnet, dessen Aufbau in Fig.
2 näher beschrieben wird. In der Schiffsseitenwand befindet sich ein Wassereinlauf
8, von dem das Seewasser sowohl unmittelbar zum Ejektor als auch zu den Hochdruck-und
Niederdruckwasserpumpen fließt. Von den Rochdruckwasserpumpen loa, lob, führt eine
gemeinsame Leitung zum Wassereinspritzsystem 2 (Fig. 2). Das von den Niederdruckwasserpumpen
9a, 9b geförderte Seewasser fließt in der g@meinsamen Leitung 12 zu dem Niederdruckwasser@@nspritzsystem
4. Mit Hilfe der Xreibstoffpumpen 11a, 7b wird die Raketenbrennkammer über die Leitungen
14 und 15 von den zugehörigen Treibstoffbehältern 21, 22 mit Brennstoff und dem
Oxidator versorgt. Da vorzugsweise der Raketenbrennstoff und der Gasturbinenbrennstoff
identisch sind, werden die Gasturbinen über die Leitungen 23 und 23a vom Treibstoffbehälter
21 versorgt.
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In Fig. 2 ist beispielsweise der Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebs-
und Steuersystems beschrieben. Die Treibstoffleitungen 14 und 15 münden in die Raketenbrennkammer
1 der sich die Mischkammer 3 anschließt1 an deren Stirnwand ein Hochdruckwassereinspritzsystem
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angeordnet ist, Die fliachkammer leitet zum Düsenhals über und erweitert sich zur
Expandionsdüse 5. Stromaufwärts des Düsenhalses befindet sich an der Mischkammer
ein Ringkanal (Niederdruckeinspritzsystem 4), durch den das von den Niederdruckwasserpumpen
in der Leitung 12 geförderte Seewasser in Richtung des Düsenhalses gespritzt wird0
Dieses System dient zum Wasserstrahlantrieb.
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Die Expandionsdüse 5 ragt als Treibdüse in einen einstufigen Ejektor
6, dessen ringförmiger Einlaufkanalquerschnitt unmittelbar mit dem Seewassereinlauf
8 in Verbindung steht. Der Ejektor mündet achließlich in die schwenkbare Ausstoßdüse
7 ein, welche außerhalb des Schiffsbodens 24 angeordnet ist.