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WASSERSCHUBTRIEBWERK Die Erfindung betrifft den Schiffbau, insbesondere
Wasserschubtriebwerke, die zur Vortriebserzeugung mittels Beschleunigung des durch
diese Triebwerke strömenden Wassers dienen.
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Die Erfindung kann besonders erfolgreich für Schiffe benutzt werden,
bei denen gleichzeitig mit der Gewährleistung einer langdauernden Vorwärtsfahrt
eine hobe Manövrierfähigkeit sowohl beim Vorwärts- als auch beim Rückwärtsgang erforderlich
ist, z.B. bei Schleppschiffen (Bugsierbooten), Hafenbooten sowie bei Schiffen mit
Unterwasserflügeln.
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Es sind Wasserschubtriebwerke bekannt, die eine Pumpe aufweisen,
an deren Eingang eine Wasserentnahmevorrichtung, am Ausgang aber eine Düse mit hinter
dieser angeordnetem Steuerruder montiert sind. Die Ruderspindel wird am Motorgehäuse
oder am Schiffskörper an Konsolen befestigt.
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Solche Triebwerke versetzen das Schiff in Vorwärtsfahrt und verleihen
dem .Schiff eine Steuerbarkeit bei diesem Fahren.
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Ein Rückwärtsfahren solcher Schiffe wird entweder durch Umkehren des
Triebwerks oder durch Ausführung von Rückwärtsgangkanälen im Schiffskörper bewerkstelligt.
Die Manövrierfähigkeit von Schiffen, die mit solchen Triebwerken ausgerüstet sind,
ist wesentlich besehrcinkt.
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Es sitzt such Wasserschubtriebwerke bekannt, die einen krummlinigen
Wasserbewegungsweg aufwe@@en, der in einer drehbaren Düse endet. Diese Düse kann
um einen beliebigen Winkel von 0° bis 360° geschwenkt werden, wodurch das Schiff
sowohl bei V@@wärts, als auch bei Rückwärtsfahrt manövrieren kann.
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Die @@@bwerke dieser Bauart we@@en jedoch einen wesentlichen Mange@
@ der darin besteht, @ß beim Vorwärtsfahren des Schiff ein erheblicher Energleteil
des Triebwerks infolge geb@@@@@@@ @orm des Weges, in dem das Wasser strömt, zur
Überwindung @@@ @@ drauli@chen @iderstandes dieses Weges verbraucht wird, @rch eine
Verschlechterung des Wirkungsgades be@ @vartsf@nren verursacht ist.
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Die @@@ du@g bezwe@@@ @@@ Beseitigung der erwähnten Mängel.
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D@r @n, li@gt Aufgabt zugrunde, ein Wasserschubtri@@ zu entwi@keln,
das sowohl das Vorwärts- als auch des @ @@t @@@@@@@ es Schiffes gewährleistet sowie
das
Manövrieren des Schiffes beim Rückwärtsfahren sichert, wobei
ein optimaler Wirkungsgrad beim Vorwärtsfahren eingehalten wird.
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Die Aufgabe wird miteinem Wasserschubtriebwerk gelöst, das eine Pumpe
aufweist, an deren Eingang eine Wasserentnahmevorrichtung, am Ausgang aber eine
Düse mit hinter ihr angeordnetem Steuerruder montiert sind.
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Die Düse ist erfindungsgemäß in eine aniner eingebaut, die am Pumpengehäuse
befestigt ist und zwei Fenster (Öffnungen) aufweist, bei denen in dem einen - der
Düse gegenüber an der Stirnseite angeordneten - das Steuerruder montiert ist, im
anderen aber, das im Kammerboden ausgeführt ist, Iteitschaufeln zu einander parallel
befestigt sind, die beim Schließen des Stirnfensters der Kammer durch das Ruderblatt
das Wasser aus der Warmer zur Erzeugung einer Vortriebskraft umlenken.
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Eine solche erfindungsgemäBe Bauart ermöglicht es, das Schiff in
Rückwäftsfahrt zu versetzen, ohne den Wirkungsgrad des Motors in der Hauptfahrrichtung
(Vorwärtsfahrrichtung) zu vermindern.
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In Übereinstimmung mit einer der Ausführungsabwandlungen der Erfindung
können die Leitschaufeln in einem zylindrischen ing befestiGt werden, der um seine
Achse drehbar in einem der Form nach entsprechenden Fenster im Kammerboden montiert
ist.
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Dadurch kann das Manövrieren des Schiffes beim Rückwärtsfahren ausgeführt
werden.
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Es ist zweckmäßig, daß der Winkel zwischen der Tangente zur Profilmittellinie
einer jeden Schaufel, die durch die Austrittskante der letzteren gezogen ist, und
der Ringdrehachse den Wert von 900 nicht übertrifft.
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Das ist zum Erreichen einer maximalen Schubkraft im Rückwärtsfahren
erforderlich.
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In Übereinstimmung mit einer der Ausführungsabwandlungen der Erfindung
kann die Ringdrehachse senkrecht zur Pumpenachse stehen.
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Es ist auch zweckmäßig, daß zur Bewerkstelligung der Drehung des
Ringes ein Zahnkranz auf ihm befestigt wird, der mit dem Rad einer, tchneckengetriebes
im Eingriff steht, das mit dem Antrieb verbunden ist.
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Eine solche Bauart des erfindungsgemäßen Wasserschubtriebwerks ermöglicht
es, für das Schiff eine gute Manövrierfähigkeit sowohl beim Vorwärts, als auch beim
Rückwärtsfahren zu sichern, wobei ein optimaler Wirkungsgrad des des Wasserschubmotors
aufrechterhalten wird.
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Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Beispiels
und die beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematische Darstellung
der Seitenansicht und des Längsschnittes des erfindungsgemäßen Wasserschubtriebswerks;
Fig.
2 Schnitt A-A der Fig. 1; Fig, 3 Stelle "B" der Fig. 1 (in vergrößertem Maßstab);
Fig. 4 Schnitt C-C der Fig. 3.
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Das Wasserschubtriebwerk, insbesonders am Schiffsheck angeordnet,
enthält eine zweistufige Axialpumpe 1-, die ein Gehäuse 2 aufweist, welches als
Wasserschubrohr dient, in dem zwei Laufräder 3 und 4 und eine Leitvorrichtung 5
untergebracht sind.
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Der Antrieb der Pumpe 1 erfolgt von einem Motor 6 aus über eine Schiffsschraubenwelle
7.
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An einer Seite des Gehäuses 2 der Pumpe 1 schließt die Wasserentnabinevorrichtung
8 mit einem Schutzrechen 9 an, an der anderen aber ist die Kammer 10 befestigt,
die einen rechteckigen Querschnitt aufweist und eine Düse 11 umhüllt (umfaßt).
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Es ist zweckmäßig, die Querschnittsfläche dieser Kammer 10 in einem
Bereich von 1, 2 bis 1, 5 der Düsenmündungsfläche zu wahlen.
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Es ist zu vermerken, daß durch die Annahme der Querschnittsfläche
der Kammer 10 mit einem größeren Wert, als die Mündungsfläche der Düse der aus der
Düse 11 herausgeschleuderte Wasserstrahl die Seitenwände der Kammer 10 nicht berührt,
folglich werden auch die hydraulischen Verluste nicht erhöht, obwohl der Triebwerk-Wasserweg
infolge der Anordnung der Kammer 10 verlängert ist.
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Die Kammer 10 weist zwei Fenster 12 und 13 (Fig. 2) auf.
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Das eine dieser Fenster 12 ist im Boden der Kammer 10 ausgeführt,
es hat eine liundfoim und hier ist ein drehbarer zylindrischer Ring 14 mit Leitschaufeln
15 eingebaut. Das zweite Fenster 13 - das Stirnfenster - ist gegenüber der Düse
11 angeordnet.
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Die Schaufeln 15 sind im Ring 14 einander parallel und in gleichen
Abständen montiert und bilden dabei einen Rechen.
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Die Schaufelabstände des Rechens (Besetzungsdichte) werden auf Grund
der allgemeinen Regeln, die im Wasserturbinenbau üblich sind, gewählt und ist vom
Innendurchmesser "D" (Fig. 3) und der Höhe "K" des Ringes 14 abhängig.
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Bei dieser Ausführungsabwandlung der Erfindung beträgt das Verhältnis
zwischen der Höhe "H" und dem Innendurchmesser "D" des Ringes 14 H/D= 0,4. Die Besetzungsdichte
des Rechens mit Leitschaufeln 15 wird durch den Verhältniswert zwischen der Sehne
"b" des Querschnittes der Schaufel 15 und der Schaufelteilung t bestimmt und beträgt
b/t = @ 1,5 bis 1,7.
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Besetzungsdichte Eine Vergrößerung der des Rechens mit Schaufeln
15 verursacht eine Erhöhung des hydraulischen Widerstandes der Wasserbewegung und
eine Verminderung der Vortriebskraft beim Umkehren ud Mnövrieren, eine Verringerung
der Rechens dichte aber verursacht das Abreißen des herausgeschleuderten Wasserstrah
@@@ der austrittskante "G" der Schaufel 15 und eine VeIminderurg der horizontalen
Komponente der Triebwerkskraft.
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Zwecks Verbesserung der Verhältnasse für die Anströmung des Drehring
14 bei seinen beliebigen Stellungen sind die Ijeitschaufeln 15 so im Ring 14 angeordnet,
daß der Wert des Winkels " "B" zwischen der Tangente zur Profilmittellinie der Schaufel
15 die durch die Eingangskante "z" gezogen wird, und der Achse des Ringes 14 ca.
0° beträgt, der Wert des Winkels "o " aber zwischen der Tangente zur Profilmittellinie
der Schaufel 15, die durch die Austrittskante "G" gezogen ist, 90° nicht übertreffen
darf.
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Bei der gegebenen Bauart sind α= 600 und ß = 0° angenommen.
Im allgemeinen werden diese Winkel α und 3 so bestimmt, daß eine maximale
Kraft des Triebwerkes beim Rückwärtsfahren erreicht wird, u.zw. bei den gewählten
Größen von "D" und "H" des Drehringes 14 und gegebener Betriebsart des Triebwerks.
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Zur maximalen Ausnutzung des Drehring-querschnittes sind die Randschaufeln
15a und 15b ihrer Bauart nach anders als die mittleren Schaufeln ausgeführt.
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Der Oberteil der rechten Randschaufel 15a (Fig. 3) ist abgeschnitten,
der Restteil ist durch die Schnittfläche an der Innenfläche des Ringes 14 an seinem
Umfang befestigt.
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Der Oberteil der linken Randschaufel 15b ist gebogen und am Umfang
an die Innenfläche des Drehringes 14 befestigt.
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Das Profil der Mittelschaufeln 15 wird so gewählt, daß lninimale
Energieverluste des Wassers bei seinem Lauf durch den Drehring 14 Oewährleistet
sind.
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Fur die mittleren Schaufeln 15 werden üblicherweise Profile mit einer
relativen Dicke von 5 bis 10% angenommen. Dabei wird eine gleichmäßige Änderung
der Profilkrümmung der Schaufeln 15 auf einer Länge, die 3/4 der Sehne "b" gleich
ist, gewählt. Im letzteren Viertel der Sehne "b" hält man den Winkel der Schaufeln
15 konstant und gleich dem angenommenen Austrittswinkel "α".
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Die Leitschaufeln 15 im Drehring 14 werden so montiert, daß ihre
Austrittskanten "G" mit der unteren Schnittfläche des Ringes 14 fluchten. . Zum
Regeln des Wasserstromes am Eingang in die Kanäle zwischen den Schaufeln 15 sind
die letzteren der Höhe "h" nach kleiner, als die Höhe H" des Ringes 14 ausgeführt.
In der gegebenen Ausführungsabwandlung beträgt die Höhe "h" der Schaufeln 15 2/3
der Höhe II" des Drehringes 14.
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Der Innendurchmesser "D" des Drehringes 14 wird so angenommen, daß
beim Umkehren und Manövrieren dieselbe Triebwerksarbeitsweise wie beim Vorwärtsfahren
aufrechtzuerhalten ist.
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Der Innendurchmesser "D" des Drehringes 14 wird von dieser Bedingung
ausgehend, unter Berücksichtigung folgender Umstände bestimmt: Schließung des Durchlaufquerschnittes
des Ringes 14 durch die Schaufeln 15 und Verminderung des Durchlaufquerschnittes
am Austritt aus dem Ring 14 infolge Krümmung der Kanäle zwischen den Schaufeln 15,
Verringerung der Wassergeschwindigkeit
am Austritt aus dem Ring
14 infolge zusätzlicher hydraulischer Widerstände, die durch die Umlenkung des Wassers
in der Kammer 10 verursacht werden, und des hydraulischen Widerstandes des Rechens
aus Leitschaufeln 15.
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Der Drehring 14 ist in den Gleitlagern 16 montiert, auf seiner Außenfläche
aber ist der Zahnkranz 17 befestigt, der mit dem Zahnrad 18 (Fig. 4) im Eingriff
steht, das mit dem Rad 19 des Schneckengetriebes 20 auf einer und derselben Welle
sitzt. Das Schneckengetriebe 20 wird von eEe4(nicht dargestellten) Hydromotor betätigt.
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Im Stirnfenster 13 ist ein Ruder 21 montiert, das bei einer seiner
Stellungen vollständig das Fenster 13 schließt.
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in Die Zapfen 22 des Ruders 21 werden l den Wänden der Kammer 10
gelagert. Auf einem Zapfen 22 ist ein Zahnrad 23 angeordnet, das-mit einer Zahnstange
24 im Eingriff steht, die durch einen hydraulischen Zylinder 25 in Bewegung versetzt
wird.
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Der Betrieb des Triebwerks verläuft in folgender Weise.
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Beim Vorwärtsfahren tritt das Wasser durch die Wasserentnahmevorrichtung
8 in das Gehäuse 2 der Pumpe 1 ein, läuft danach durch die Düse 11 in die Kammer
10, umspült das Ruder 21 und wird nach außen geschleudert. Da die Querschnittsfläche
der Kammer 10 größer, als die Mündungsfläche der Düse 11 ist, berührt nicht der
herausgeschleuderte Wasserstrahl die Wände der Kammer 10, und folglich werden die
Verluste zur Überwindung des hydraulischen 7 rstanaes nicht vergrößert. Der
Ring
14 wird in diesem Falle so eingestellt, daß die Austritt kanten ttit der Leitschaufeln
15 in die der Schiffsfahrbewegung entgegengesetzte Seite zurichtet sind.
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Beim Vorwärtsfahren wird die Steuerung des Schiffes durch Drehung
des Ruders 21 um den erforderlichen Winkel in die ei-Richtung ne oder andere @ mittels
hydraulischen Zylinder 25 bewerkstelligt, der die Zahnstange 24 in Bewegung versetzt,
welche mit dem auf dem Zapfen 22 des Ruders 21 montierten Zahnrad 23 im Eingriff
steht.
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Beim Übergang des Schiffes auf Rückwärtsfhrt wird das Ruder 21 so
eingestellt, daß es vollständig das Stirnfenster 13 in der Kammer 10 schließt, und
das Wasser wird zum Drehring 14 geleitet und nach dem Lauf durch die Kanäle zwischen
den Leitschaufeln nach außen geschleudert.
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Die Schleuderrichtung und folglich auch die Richtung des Zugvektors
des Triebwerks wird durch die Stellung des Drehrings 14 bestimmt. Der Ring 14 wird
mittels eines (nicht dargestellten) Hydromotors angetrieben, der das Schneckengetriebe
20 betätigt, dessen Rad 19 auf einer und derselben Welle mit dem Zahnrad 18 sitzt,
das mit dem auf dem Ring angeordneten Zahnkranz 17 im Eingriff steht.
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Da der Drehwinkel des Ringes 14 im Bereich von Oo bis 3600 nicht
beschränkt ist, kann das Schiff in beliebiger Richtung in Bewegung versetzt werden
- vorwärts, rückwärts usw., das Schiff kann ein kompliziertes Manövrieren ausfiihren.