DE2112859A1 - Antriebsanlage fuer ein Wasserfahrzeug - Google Patents

Description

Patentanwälte Dlpl.-lng. R. BEETZ sen.
Dipl-Inr;. K. LAMPRCZCHT

Dr.-lng. R. B £ E T Z jr. λ -

8 München 22, Steinsdorfstr. 10 <h ■

410-16.775P(16.776h) 17.5.1971

Commissariat d 1Energie Atomique 29, rue de la Federation, Paris 15e Prankreich

Antriebsanlage für ein Wasserfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanlage für ein Wasserfahrzeug für Unterwasserfahrt ohne Verbrennung, die im wesentlichen aus einer eigentlichen Vortriebsvorrichtung und aus einer diese mit Treibmittel speisenden Vorrichtung λ besteht.

Die große Mehrzahl der heutigen Wasserfahrzeug-Antriebsanlagen benutzt als Vortriebsorgan eine Schraube, die von einer Brennkraftmaschine oder von einem aus Akkumulatoren gespeisten Elektromotor besteht: Diese zweitgenannte Antriebsart ist die der klassischen Unterseeboote, bei der bei Unterwasserfahrt Sauerstoffverbrauch nicht möglich ist.

Es sind schon Wasserfahrzeug-Antriebsanlagen vorgeschlagen

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worden (Gbm 7 001 396), in deren eigentlicher Antriebsvorrichtung ein Wasser-Stromfaden vorn (im Sinne der Fahrtrichtung) unter Druck gesetzt und mit dnem in feinster Verteilung eingepreßten Gas gemischt wird und darauf dieses Gas-Wasser-Gemisch hinter der Antriebsvorrichtung entspannt und ausgestoßen wird.

Es sind ferner Antriebsanlagen und Antriebsvorrichtungen, die mit einem Gas-Wasser-Schaum arbeiten, schon für Überwasserschiffe vorgeschlagen worden. In diesem Falle kann das Arbeitsmittel mit Hilfe eines Luftverdichters, welcher Luft aus der Außenluft ansaugt und verdichtet, beschafft werden, und diese Lösung ist besonders interessant, wenn man die Druckluft mittels eines einzigen Verdichters beschafft, welcher mehrere, auf verschiedene Stellen des Schiffskörpers verteilte Antriebsvorrichtungen beliefert; man kann so insbesondere auf großen Schiffen Bugstrahlruder, welche.das Steuern in See oder im Hafen erleichtern, betreiben. Diese Lösung eignet sich gleichermaßen gut für schnell bewegliche Schiffe, z. B. für Tragflügelboote, wie auch für Bergungsschiffe, da sie bei diesen die Gefahr vermeidet, daß Leinen in die Schrauben geraten. Man kann auch Druckluft behälter verwenden. Die erste Lösung erfordert eine Arbeitsmaschine, üblicherweise Brennkraftmaschine, und eignet sich daher nicht für Unterwasserfahrt. Die zweite erfordert einen hochdruckfesten Behälter, dessen spezifische Energie (d.h. das Verhältnis zwisohen Energieinhalt und Gewicht) gering ist.

Erfindungsaufgabe ist, eine Antriebsanlage zu schaffen, die für Unterwasserfahrt geeignet ist und unter gleichen Bedingungen besser als die bisher üblichen Anlagen den Erfordernissen der Praxis entspricht.

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Die Erfindung betrifft also eine Antriebsanlage für ein Wasserfahrzeug mit mindestens einem Strahltriebwerk, das nach dem Rückstoßprinzip mit einem Schaum als Vortriebsmittel arbeitet, der aus Gas und dem umgebenden Wasser erzeugt 1st, und mit einer Einrichtung, welche das bzw. die Strahltriebwerke mit '■*■'reibgas speist. Sie besteht darin, daß die das Strahltriebwerk bzw. die Strahltriebwerke mit Treibgas speisende Einrichtung mindestens einen Behälter aufweist, welcher ein Flüssiggas enthält, dessen Dampfdruck weit höher als der Wasserdruck bei der mittleren Fahrtiefe und bei der niedrigsten vom Fahrzeug angetroffenen Wassertemperatur ist, und daß der das Flüssiggas enthaltende untere Teil des Behälters mit dem Schaumerzeuger des bzw. jedes Strahltriebswerkes über ein Regelventil und über einen Wärmetauscher verbunden ist, welcher Wärme vom umgebenden Wasser überträgt.

Eine solche Vorrichtung bietet eine spezifische Engergie, die derjenigen eine Antriebsvorrichtung mit elektrischen Akkumulatoren mindestens gleich ist, und ist dieser an Sicherheit weit überlegen/ insbesondere, weil sie keine Schiffsschraube hat und einfach und kräftig ist. Ferner erfordert sie in den Ruhezeiten zwischen aufeinanderfolgenden Benutzungen keine Wartung.

Den in flüssiger und dampfförmiger Phase zu benutzenden Treibstoff wählt man je nach dem Zweck des Fahrzeugs, für das die Antriebsanlage bestimmt ist. Dieser Stoff wird insbesondere danach gewählt werden, ob die Antriebsanlage ständig in flachem Wasser bleibt oder ob sie in tiefem Wasser arbeiten soll. Bei Schiffsantriebsanlagen kann man als Faustregel annahmen, daß die Dampfspannung des Stoffes bei etwa 10°C zehnmal bis zwanzigmal größer als der Druck sein muß,

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welcher der mittleren Tauchtiefe entspricht. Bei Antriebsvorrichtungen für Fahrt in geringer Tiefe (IO - 20 Meter) kann man Propan (C,Hg) oder Äthan (CgHg) nehmen. Propan hat den Vorteil, bei normaler Speichertemperatur einen viel niedrigeren Dampfdruck aufzuweisen, was dünnere und daher leicherte Behälter erlaubt. Wenn die Antriebsvorrichtung in Wassertiefen von mehr als 100 m arbeiten soll, muß man andere Flüssigkeiten wie z. B. Kohlensäure oder flüssigen Stickstoff und die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung vorsehen. Der erste Fall gilt für leichte Fahrzeuge für die Beförderung von Tauchern in unabhängigem Tauchanzug: der zweite wird z.B. für Unterwasser-Tankschiffe gelten, die einen Fahrbereich von mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen haben müssen.

Eine besonders vorteilhafte Art der Antriebsvorrichtung, und zwar die oben erwähnte, schon anderenorts vorgeschlagene (GM 7 001 596) Art, besteht aus einem Kanal von zur Fahrtrichtung paralleler Achsrichtung, der an seinen beiden Enden offen ist und hintereinander folgende Teile aufweist: Einen sich erweiternden Teil, in dem eine wassermenge infolge der durch die Erweiterung bewirkten Verzögerung eine Druckerhöhung erfährt· dahinter einen Teil, welche eine Kreiselpumpe, einen Schaumerzeuger, der die gasförmige Phase des Treibstoffes in das so unter Druck gesetzte Wasser einführt, und eine Turbine enthält, die einen Teil der Entspannungsarbeit des Schaumes an die Pumpe zurückliefert; und schließlich einen sich verengenden Teil, in dem die restliche Druckenergie des Schaumes in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Diese Antriebsvorrichtung hat in der Tat über einen großen Geschw-indigkeitsbereich hin einen befriedigenden Wirkungsgrad und liefert auch bei Stillstand des Fahrzeuges, sobald die Kreiselpumpe in Lauf gesetzt ist, einen Schub.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

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Pig. 1 die Hauptteile der Antriebsanlage im Schema; Fig. 2 den Rumpf und die Treibstoffbehälter eines Fahrzeuges, das in geringer Tiefe fahren soll und mit der erfindungsgemäßen Antriebsanlage ausgerüstet ist, schematisch in senkrechtem Längsschnitt;

Fig. J5 dieselben in Ansicht von oben;

Fig. 4 die Bestandteile der abgewandelten, mit Stickstoff arbeitenden Ausführungsform der Antriebsanlage .

Die erfindungsgemäße Antriebsanlage besteht im wesentlichen aus den in Fig. 1 dargestellten Teilen. Dies sind ein oder mehrere Strahltriebwerke 10, vorzugsweise von der oben erwähnten, andernorts (GB 7 001 396) schon vorgeschlagenen Art, mit einem oder mehreren Behältern 12 und einem oder mehreren Wärmetauschern 14. Der Behälter 12 enthält einen Treibstoff aus der Reihe der sogenannten Flüssiggase, und zwar im unteren Teil als Flüssigkeit und im oberen Teil als Dampf. Der Behälter ist am unteren Ende mit einem Ventil von regelbarer öffnungsweite oder einem Druckregelventil ausgestattet. Der von der gasförmigen Phase des Treibstoffes erzeugte Druck treibt, wenn das Ventil l6· offen ist, die Flüssigkeit aus dem Behälter 12 zum Wärmetauscher 14. Der Wärmetauscher 14 soll den vom Behälter 12 kommenden Treibstoff durch Zufuhr der Wärme des umgebenden Wassers erwärmen und verdampfen. Das Austrittsende des Wärmetausohers 14 speist den oder die Schaumerzeuger 10; diese brauchen hier nicht beschrieben zu werden, denn sie sind bekannt.

Das das Fahrzeug umgebende Wasser soll Wärme auch zum Behälter (das ist im allgemeinen eine Stahlflasche) liefern,

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damit, wenn Flüssigkeit zum Wärmetauscher fließt, im Behälter Flüssigkeit verdampft und der Druck im Behälter aufrechterhalten wird. Dafür genügt eine Wärmemenge im Behälter, die viel kleiner ist als die zum Wärmetauscher fließende Menge (z. B, in einem typischen Fall etwa 600 mal kleiner). Natürlich ist ein Temperaturunterschied zwischen dem umgebenden Wasser und dem durch den Wärmetauscher fließenden Treibstoff erforderlich, damit die zur Erwärmung und Verdampfung nötige Wärme durch die Wand des Wärmetauschers fließt; diesen Temperaturunterschied erreicht man, indem man dem Wärmetauscher ein genügendes Druckgefälle zuteilt.

Als Zahlenbeispiele seien die folgenden Kennwerte genannt; sie stammen von einer Antriebsanlage für ein in Fig. 2 und Fig. 3 schematisch dargestelltes Fahrzeug, das zwei unabhängige Taucher in geringer Tiefe (im Mittel 20 m) mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/sek schleppen kann. Das dargestellte Fahrzeug besitzt einen Rumpf 18 von der in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Form, der hinten mit einen doppelten Festhaltebügel 20 versehen ist und zwei Druckgasflaschen enthält. Um solch ein länglich geformtes Fahrzeug von 0,50 m Durchmesser.; und 1,75 m Länge mit 1,5 m/sek voranzutreiben, ist ein Sohub von etwa 12,5 kg erforderlich. Dieser Schub läßt sich durch zwei seitliche Strahltriebswerke 10 (Fig. 3) erreichen/welche in der Sekunde einen Schaum aus 2 kg Wasser und 30 g Kohlensäure mit einer Geschwindigkeit von 10 m/sek ausstoßen. Die Kohlensäure kann in zwei Flaschen handelsüblicher Art von 50 1 mit einem Druck von 55 at bei 20°C enthalten sein. Hinsichtlich des Gewichts der Druckgasflaschen ist die spezifische Energie der Anlage etwa gleioh derjenigen eines Bleiakkumulators· man kann sie noch verbessern, wenn man Leichtmetall-Flaschen, bei niedriger Temperatur gefüllt, verwendet. Der Wärmetauscher kann eine Wärmetausch-Fläohe von 0,5 qcm mit einem Wärmefluß von 1,4/Wqcm bei einem Temperaturunterschied von 2°C zwischen dem umgebenden Wasser und dem Wärmetauscher sein. Ί09849/0162

Die Ventile l6 werden einander gleichzeitig betätigt, und zwar vom Festhaltebügel aus, z.B. mittels eines Gestänges, das durch einen Drehknopf bewegt wird und sich von selbst in Schließstellung zurückbewegt. Ein Fahrzeug dieser -Größe läßt sich in der Tat ohne eine Anlaßvorrichtung von einem Taucher in Fahrt setzen.

Der Anschluß des Wärmetauschers 14 an dem ihn speisenden Behälter 12 miß natürlich an dessen unterem, die flüssige Phase des Treibstoffes enthaltenden Teil liegen, damit nicht der Druck la Behälter plötzlich abfallen kann. Dies läßt sich erreichen, indem «an einen Behälter von länglicher Form in senkrechter Stellung wählt, wie in Fig. 1 schematisch gezeichnet. Aber diese Anordnung eignet sich schlecht für Einbau in eine« spindelförmigen Fahrzeug von fast waagerechter Achsrichtung. Man kann dann kugelförmige Behälter in Nebeneinanderanordnung anwenden oder, wenn man als Behälter die handelsüblichen Flaschen beibehalten will, die in Fig. 2 gezeichnete Anordnung wählen. Die Anlage enthält also zwei Flaschen, die nebeneinander beiderseits der Mittellängsebene angeordnet und gegen die Waagerechte symmetrisch zueinander geneigt sind. Die Ventile oder Druckminderer 16 werden unab- μ hängig voneinander so betätigt, daß das oder die Strahltriebwerke aus derjenigen Flasche gespeist werden, deren Ventil l6 mit Sicherheit in Verbindung mit der flüssigen Phase ist. Das Umschalten kann durch ein Pendelsystem selbsttätig geschehen. Noch elnfafaer kann man den FesthaltebUgel 20 mit zwei Steuer-Drehknöpfen ausstatten, deren jeder je ein Ventil l6 betätigt. Es genügt praktisch ein Winkel von 30° zwischen den Achsen der Flaschen.

Der Rumpf l8 des in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Fahrzeuges 1st mit einem Wassereinlaß-Ventil, durch welches Wasser

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als Ballast in den Rumpf oder in eine abgesonderte Abteilung des Rumpfes eingelassen werden kann, und mit einem Entleerungsventil versehen; der Ballast ist nötig, um den mit der allmählichen Entleerung der Flaschen 12 verbundenen Gewichtsverlust auszugleichen. Dieses Ventil 26 kann handbetätigt oder selbsttätig sein.

In tier in Fig. 4 schematische gezeigten Antriebsanlage wird als Treibstoff flüssiger Stickstoff benutzt. Diese Anlage unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten durch Zufügung eines Hilfskreislaufes für die Regelung des Druckes in der Flasche 12'. Dieser Kreislauf besteht aus einer Schleife, die durch einen Wärmetauscher 30 und ein handbetätigtes Regelventil 32 gebildet wird.

Der die Antriebsvorrichtung 10' speisende.Kreislauf enthält seinerseits eine Druckflasche 34, die mit einem Wärme tauscher ausgestattet ist, welcher mit dem umgebenden Wasser Wärme tauscht und einen Gaspuffer bildet. Ein stromoberhalb der Flasche 34 angeordnetes selbsttätiges Ventil 36 hält die Flüssigkeitszufuhr zur Flasche 34 auf einem solchen Wert, daß diese Zufuhrmenge in der Flasche 34 ganz verdampft und der darin herrschende Druck dem günstigsten Betriebszustand der Antriebsvorrichtung entspricht.

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Claims (8)

Patentansprüche

1. Ahtriebsanlage für ein Wasserfahrzeug mit mindestens einem

^ahltriebwerk, das nach dem Rückstoßprinzip mit einem Schaum als Vortriebsmittel arbeitet, der aus Gas und dem umgebenden Wasser erzeugt ist, und mit einer Einrichtung, welche das bzw. die Strahltriebwerke mit Treibgas speist, dadurch " gekennzeichnet, daß die das Strahltriebwerk bzw. die Strahltriebwerke (10) mit treibgas speisende Einrichtung mindestens einen Behälter (12) aufweist, welcher ein Flüssiggas enthält, dessen Dampfdruck weit höher als der Wasserdruck bei der mittleren Fahrtiefe und bei der niedrigsten vom Fahrzeug angetroffenen Wassertemperatur ist, und daß der das Flüssiggas enthaltende untere Teil des Behälters mit dem Schaumerzeuger des bzw. jedes Strahltriebswerkes über ein Regelventil (ΐβ) und über einen Wärmetauscher (14) verbunden ist, welcher Wärme vom umgebenden Wasser überträgt.

2.. Antriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß λ das Flüssiggas bei 10⁰C einen Dampfdruck hat, der dreimal bis zehnmal höher als der Wasserdruck bei der mittleren Fahrtiefe ist.

3. Antriebsanlage nach Anspruch 1 oder 2 für Fahrt in geringer Tiefe, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssiggas Propan, Äthan oder Kohlensäure ist.

4. Antriebsanlage nach Anspruch 1 oder 2 für Fahrt in Tiefe von mehr als 100 m, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssiggas Kohlensäure oder Stickstoff ist.

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5. Antriebsanlage nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Strahltriebwerk bzw. die Strahltriebwerke mit Treibgas speisende Einrichtung zwei länglich geformte Behälter (10) aufweist, die in zwei zueinander parallelen senkrechten Ebenen mit einander gleich großer, aber entgegengerichteter Neigung zur Waagerechten - bei normalem Trimm des Fahrzeugs - angeordnet sind, und daß in der von den Behältern (10) zum Wärmetauscher (14) führenden Leitung eine trimmabhängig gesteuerte Vorrichtung angeordnet ist, welche jeden Behälter nur dann mit dem Wärmetauscher verbindet, wenn das Behälterende, an dem die Leitung angeschlossen ist, mit der Flüssigphase gefüllt ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1-5* dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Strahltriebwerk (10,10') einen Kanal von zur Fahrtrichtung paralleler Achsrichtung bildet, der an seinen beiden Enden offen ist und aus

a) einem sich erweiternden Teil, in dem das durchströmende Wasser eine Verzögerung und Druckerhöhung erfährt,

b) einem Teil, welcher eine Kreiselpumpe, einen Schaumerzeuger, der die gasförmige Phase des Treibstoffes in das Wasser einführt, und eine Turbine enthält, die einen Teil der Entspannungsarbelt des Schaumes an die Pumpe zurückliefert, und

c) einem sich verengenden Teil, in dem die restliche Drucken-ergie des Schaumes in Bewegungsenergie umgewandelt wird,

besteht.

7. Antriebsanlage nach einem der Ansprüche 1 - 7 , dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Behälter (10) in einer dichten

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Abteilung angeordnet ist bzw. sind, leiche mit einem Wassereintrittsventil (26) versehen ist.

8. Antriebsanlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine selbsttätige Steuerung, die den Wassereintritt in die Abteilung je nach dem Verbrauch des in dem oder den Behältern (10) enthaltenen Treibgases steuert.

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