DE2303130A1

DE2303130A1 - ARRANGEMENT OF A WATER JET DRIVE

Info

Publication number: DE2303130A1
Application number: DE19732303130
Authority: DE
Inventors: Wolfram Merten
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-01-23
Filing date: 1973-01-23
Publication date: 1974-07-25

Description

Anordnung eines Wasserstrahlantriebes Die Erfindung besteht aus einer Anordnung eines Wasserstrahlantriebes für schiffe, bei der ein Druckwasserstrahl gegen die Umgebungsluft abgestrahlt wirdO Von allen bekannten Schiffsantrieben ist der z. Zt. verbreiteste der Wasserstrahlantrieb. Hierbei wird zum Antrieb die Be@egungsenergie eines in geeigneter Weise erzeugten Wasserstrahles nach dem Reaktionsprinzip genutzt. Häufigste, weil wirtschaftlichste Version dieses Antriebes ist zO Zt der Propeller-oder Schraubenantrieb, der ob seiner allgemeinen Bekanntheit hier nicht beschrieben erden muß.Arrangement of a water jet drive The invention consists of one Arrangement of a water jet propulsion system for ships using a pressurized water jet is radiated against the ambient air O is of all known ship propulsion systems the z. Currently the most widespread water jet propulsion. Here, the drive becomes the drive a suitably generated water jet is used according to the reaction principle. The most common, because the most economical, version of this drive is the propeller or Screw drive, which is not described here because of its general popularity got to.

In Verkennung des Wesens des Reaktionsprinzips beharrte der Schiffbau bisher darauf, den oben erhnten antrieberzeugenden Wasserstrahl stets in das Umgebungswasser hinein abzustrahlen.Shipbuilding persisted in misunderstanding the nature of the reaction principle So far, the above mentioned drive-generating water jet has always been in the surrounding water radiate into it.

Lediglich in einigen Konstruktionen wird ein Abstrahlen oberhalb der Wasserlinie, etwa bedingt durch den Beladungszustand oder durch eire bestimmte Fahrtsituation, in Kauf genommen.Radiation above the Waterline, for example due to the loading condition or a certain driving situation, accepted.

Es wird dabei teilweise vermerkt, daß eine Leistungsminderung nicht eint itt, jedoch wird diese Anordnung konstruktiv nicht angestrebt, weil in ihrer Bedeutung nicht erkannt (Clausen-Werft, Oberwinter, Werbeschriften; Boeing, Seattle, "Jetfoil", Der Spiegel 50/1972).It is sometimes noted that a reduction in performance is not at the same time, however, this arrangement is not aimed at in terms of design, because in its Meaning not recognized (Clausen-Werft, Oberwinter, advertising literature; Boeing, Seattle, "Jetfoil", Der Spiegel 50/1972).

Die physikalischen Gegebenheiten, die den einzelnen Antriebes arten zugrundeliegen. sollen hier nicht in allen Einzelheiten beschrieben werden, jedoch läßt sich aus der Betrachtung der Anordnung eines Wasserstrahlantriebes Dichte- und Viskositätseigenschaften von Wasser und Luft folgendes behaupten: a) als Antriebsmedium, das von einem geeigneten Aggregat gepreßt als Strahl austretend Schub erzeugt, ist Wasser in hohem Maße geei&neter als Luft oder ein ähnliches gasförmiges Medium, b) als Umgebungsmedium, in das ein vorgenanntes Antriebsmedium abgestrahlt wird, ist Luft in hohem Maße geeigneter als Wasser0 Als Folge dieser Erkenntnisse bietet sich an, zu Propulsionszwecken einen Wasserstrahl oberhalb der Wasserlinie eines Schiffes gegen die Umgebungsluft abzustrahlen.The physical conditions that make up the individual drive underlie. are not intended to be described in detail here, however can be seen from looking at the Arrangement of a water jet drive Density and viscosity properties of water and air claim the following: a) as a drive medium, which is pressed by a suitable unit and exiting as a jet When generating thrust, water is to a great extent more consistent than air or something similar gaseous medium, b) as an ambient medium into which an aforementioned drive medium is emitted, air is to a great extent more suitable than water0 As a result of this Findings suggests itself, for propulsion purposes, a water jet above the Radiating the waterline of a ship against the surrounding air.

Dies vor allem ist Gegenstand der Erfindung.This is above all the subject of the invention.

Der Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Antriebes sind aus dem bisher Gesagten schon zu erkennen: Das Grundschema in Abb. 1 zeigt, daß von außenbords über einen Setzkasten oder eine Filtereinrichtung Wasser angesaugt und in einer Pumpe auf erforderlichen Druck gepreßt wird. In einer Rohrleitung wird das Druckwasser zu einer Strahldüse geleitet, aus der es mit hoher Geschwindigkeit oberhalb der Wasserlinie gegen die Umgebungsluft austritt und dem Schiff eine Schubkraft erteilt. Die Auslegung erfolgt derart, daß der Gesamtwiderstand der Rohrleitungen minimal ist, der Pumpenwirkungsgrad und die Strahlgeschwindigkeit maximal sind.The structure and mode of operation of the drive according to the invention can already be seen from what has been said so far: The basic diagram in Fig. 1 shows that sucked in water from the outboard via a type case or a filter device and is pressed in a pump to the required pressure. In a pipeline the pressurized water is directed to a jet nozzle, from which it flows at high speed escapes above the waterline against the ambient air and gives the ship a thrust granted. The design is carried out in such a way that the total resistance of the pipelines is minimal, the pump efficiency and the jet velocity are maximal.

Abbo 2 zeigt eine Anordnung, durch die mehrere Strahldüsen starr angeordnet huber Absperrorgane angesteuert werden, wobei durch Ansteuerung mehrerer Düsen eine Schubwirkung in beliebiger Richtung erreichbar ist0 Als Absperrorgane, die die Funktion einer Ruderanlage erfüllen, wird man vor- Anordnung eines Wasserstrahlantriebes nehmlich solche mit grier Stellkraft d kurzem Stellweg wählen (Butterfly-Klappen, Scherschlußhähne).Abbo 2 shows an arrangement through which several jet nozzles are rigidly arranged can be controlled via shut-off devices, whereby one by controlling several nozzles Thrust effect in any direction is achievable0 As shut-off devices that function of a steering gear, one will Arrangement of a water jet drive choose those with a greater actuating force and a short actuating path (butterfly valves, Shear stop cocks).

Abb. 3 zeigt in Anlchnung an Abb. 2 eine Zweimotorenanlage, mit der einerseits die als Laderäume unbrauchbaren Bug- und Heckrüume gleicherweise genutzt werden können, andererseits ein Traversieren und Wenden mit voller Antriebsleistung möglich ist.Fig. 3 shows, based on Fig. 2, a two-engine system with the on the one hand, the bow and stern areas, which are unusable as cargo holds, are used equally on the other hand traversing and turning with full drive power is possible.

Abb. 4 zeigt eie zusätzliche Anordnung zweier Düsen, die durch wechselseitiges abstrahlen im Takt der Rollfrequenz ein Rollen (Schlingern) dampfen oder sogar ausschalten kann.Fig. 4 shows an additional arrangement of two nozzles, which are achieved by reciprocal emit in the rhythm of the rolling frequency, a rolling (rolling), steaming or even switching off can.

In Fällen, in denen ein durch Schiffes und Wellenbewegung unvermeidliches zeitweiliges Abstrahlen unter Was@@r auftritt, mag ein Konstiuktlon nach Abbo @ oder Abb. 6 erforderlich werden. Hierbei wird vor der Däsenöffnung ein Wasser-Luft-Gemisch erzeugt, das den austretenden Wasserstrahl zwar weniger hemmt als Wesser, jedoch eine gewisse Verlustleistung erfordert. In diesen Fällen tritt also eine Leistungseinbuße ein, die aber geringer sein wird als bei reiner Unterwasserabstrahlung.In cases where something is unavoidable due to the ship and wave motion Temporary radiation under What @@ r occurs, may be a construction according to Abbo @ or Fig. 6 may be required. A water-air mixture is created in front of the nozzle opening generated, which inhibits the exiting water jet less than Wesser, however requires a certain power dissipation. So in these cases there is a decrease in performance one, which will be less than with pure underwater radiation.

Diese wenigen Beispiele mögen genügen, die universelle Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Antriebes zu zeigen.These few examples may suffice, the universal applicability to show the drive according to the invention.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Antriebes gegenüber allen anderen bisher beschriebenen und ausgeführten Antrieben sind vielfältig und bedeutend.The advantages of the drive according to the invention over all others The drives described and implemented so far are diverse and important.

a) Der herkömmliche Propellerantrieb arbeitet als Wasserstrahlantrieb in allen beschriebenen und ausgefAhrten Abarten mit relativ geringen Drücken und entsprechend groben Durchflußmengen. Dies macht bauliche Anordnungen nötig, die bei einer Wasserfahrung außerhalb des Schiffskörpers einen bedeutenden Verlust an Auftriebsraum, bei einer Wasserführung innerhalb des Schiffskörpers dementsprechend eine bedeutende Gewichtssteigerung Anordnung eines Wasserstrahlantriebes erbringen, Der erfindungsgemäße Antrieb erlaubt durch das Prinzip der Überwasser-Abstrahlung sehr hohe Strahlgeschwindigkeiten, die beim herkömmlichen Antrieb aus gutem Grund verpönt waren. Hohe Strahlgeschwindigkeiten erfordern hohe Drücke, hohe Drücke erlauben bei vergleichbarer Leistung eine geringe Durchflußwassermenge. Dies bedeutet, daß die Gewichtsbelastung durch das innerhalb des Schiffskörpers geführte Antriebswasser wesentlich geringer ist als die Gewichtsbelastung bzw. der Auftriebsverlust bei herkömmlichen Antrieben.a) The conventional propeller drive works as a water jet drive in all described and executed variants with relatively low pressures and corresponding to coarse flow rates. This makes structural arrangements necessary that in a water experience outside the hull of a significant loss Buoyancy space, correspondingly in the case of a water flow within the hull of the ship a significant weight gain Arrangement of a water jet drive The drive according to the invention is made possible by the principle of surface radiation very high jet speeds, which with conventional drives for good reason were frowned upon. High jet speeds require high pressures, high pressures permit with comparable performance, a small amount of water flowing through. This means that the weight load from the propulsion water carried inside the hull is much lower than the weight load or the loss of buoyancy at conventional drives.

b) Die gebräuchlichsten, weil offenbar bisher wirtschaftlichsten Antriebe haben den Nachteil, daß durch umtangreiche Unterwasseranbauten wie Ruder, Hänger, Kortdüsen und ähnliches der Schiffswiderstand erhöht wird. Der erfindungsgemäße Antrieb kennt außer einer Wasseransaugöffnung keine UnterwasseranbautenO Sogar die bekannten Schlingerkiele und Flossenstabilisatoren sind beim erfindungsgemäßen Antrieb überflüssig, denn dieser ist geeignet, Antrieb, Steuerung und Stabilisierung eines Schiffes mit einer einzigen Maschinenanlage zu fahren.b) The most common, because apparently the most economical drives so far have the disadvantage that extensive underwater attachments such as oars, hangers, Kort nozzles and the like the ship's resistance is increased. The inventive Apart from a water intake opening, the drive has no underwater attachments, even that known bilge keels and fin stabilizers are in the drive according to the invention superfluous, because this is suitable for driving, controlling and stabilizing a To drive the ship with a single machine system.

c) Die mitunter sehr lästigen Vibrationserscheinungen, die beim herkömmlichen Antrieb durch den Propellerschlag auftreten, können naturgemäß beim erfindungsgemäßen Antrieb nicht vorkommen.c) The sometimes very annoying vibration phenomena that occur with conventional Drive caused by the propeller blow can, of course, occur in the case of the invention Drive does not occur.

d) Ein sehr wichtiger Nachteil des konventionellen Antriebes gegenüber dem erfindungsgemäßen liegt im Bereich der Wirtschaftliehkeit.d) A very important disadvantage compared to the conventional drive the invention is in the range of economy.

Während herkömmliche Antriebe bei optimaler Ausführung einen Gesamtpropulsionswirkungsgrad von weniger als 0,75 haben, hat der erfindungsgemäße Antrieb einen Wir- Anordnung eines Wasserstrahlantriebes kungsgrad von ca. 0,83, der jedoch mit Sicherheit noch gesteigert werden kann bis über 0,U). Dies bedeutet b-i gleicher Fahrleistung einen um mehr als 10 % geri@geren Betriebsaufwand bzw. bei gleichem betriebsaufwand eine um mehr als 10 % größere Eahrleistung. Diese 10 @ige Betriebskostenersparnis würde sogar einen gewissen baulichen Mehraufwand rechtfertigen, jedoch ist ein baulicher Mehraufwand kaum zu erwarten, da der erfindungsgemäße Antrieb sachlich durchweg aus altbekannten Einzelaggregaten besteht und auc rechnerisch lückenlos erfaßbar ist. Es eräbrigen sich also Neuentwicklungen und langwierige Versuche; lediglich eine Weiterentwicklung bekannter Aggregate in bisher unübliche Leistungsbereiche hinein mag zweckmäßig sein. While conventional drives have an overall propulsion efficiency when optimally designed of less than 0.75, the drive according to the invention has an effective arrangement a water jet drive efficiency of approx. 0.83, but it is definitely still can be increased to over 0, U). This means b-i the same mileage one by more than 10% less operating expenses or one with the same operating expenses more than 10% more performance. This would save 10% in operating costs even justify a certain additional structural effort, but is a structural one Additional effort is hardly to be expected, since the drive according to the invention is factually throughout consists of well-known individual aggregates and can also be calculated without gaps is. New developments and lengthy experiments are therefore unnecessary; only a further development of known units in previously unusual performance ranges inside may be useful.

e) Die Manövrierfähigkeit der harkömmlichen Antriebe ist sehr beschränkt; dies zeigt sich vor allem bei Motstopmanövern und Ausweichmanövern.e) The maneuverability of conventional drives is very limited; this is particularly evident in motstop maneuvers and evasive maneuvers.

Zur Erläuterung: Ein bei voller Fahrt und hoher Geschwindigkeit umgesteuerter Propellerantrieb wird zunächst, solange das Schiff noch sehr schnell fährt, nur eine höchst unbefriedigende Bremswirkung zeigen. Erst, wenn es ohnehin schon in einen niedrigen Geschwindigkeitsbereich ausgelaufen ist, werden die Anströmverhältnisse am Propeller derart, daß eine befriedigende Rückwärtsleistung erbracht werden kanne Dies Phänomen zeigt sich ebenfalls bei einem zu schnell zu hart gelegten Ruder: die Strömung am Ruderblatt "reißt ab", die Ruderwirkung bleibt unbefriedigend. To explain: A reversed at full speed and at high speed Propeller drive is initially only, as long as the ship is still moving very fast show a highly unsatisfactory braking effect. Only when it's already in a low speed range has expired, the flow conditions on the propeller in such a way that a satisfactory reverse performance can be achieved This phenomenon can also be seen if the rudder is set too hard too quickly: the flow at the rudder blade "breaks off", the rudder effect remains unsatisfactory.

Im Gegensatz hierzu gibt der erfindungsgemäße Antrieb dem Nautiker die Möglichkeit, binnen weniger Sekundenbruchteile die gesamte (!) Antriebsleistung in beliebiger sich tung auf das Schiff einwirken zu lassen Somit könnte ein Anordnung eines Wasserstrahlantriebes beliebig großes Schiff in beliebig engem Revier bei beliebig kleinen Geschwindigkeiten noch voll manövrierfähig gehalten werden und ohne Schlepperhilfe fahren; bei konventionellem Antrieb wäre dies völlig undenkbar! Diese wenigen Punkte nögen genügen, die Vorteile des erfindungsgemäßen Antriebes darzustellen. In contrast, the drive according to the invention gives the navigator the possibility of the entire (!) drive power within a few fractions of a second to be able to act on the ship in any way arrangement a water jet propulsion ship of any size in any narrow area arbitrarily small speeds can still be kept fully maneuverable and drive without tractor assistance; with a conventional drive this would be completely unthinkable! These few points are sufficient, the advantages of the drive according to the invention to represent.

Einzelne der vorgenannten Vorteile sind in einigen bereits ausgeführten Antrieben schon verwirklicht, jedoch durchweg mit Nachteilen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der ßntriebe erkauft, Der erfindungsgemaße Antrieb vereinigt alle vorgenannten Vorteile einschließlich einer Wirtschaftlichkeit, die kein anderer Antrieb aufweist.Some of the aforementioned advantages have already been mentioned in some of them Drives already implemented, but always with disadvantages in terms of economy the drive is bought, the drive according to the invention combines all of the aforementioned advantages including an economy that no other drive has.

Zur Erhärtung der Angaben zur Wirtschaftlichkeit sei hier noch eine überschlägige Berechnung angedeutet.To substantiate the information on economic viability, I would like to add one more here rough calculation indicated.

Als Kernstück der Anlage wählen wir eine Spiralgehäuse-Kreiselpumpe nach DIN 24255 Typ NS 250-400 der Fa. Aliweiler AG mit einem Laufrad-Durchmesser von 420 mm. Aus den Leistungskurven der Pumpe (Katalogblatt Nr, 463 2402 002 v. Nov. 1968) entnehmen wir folgende Daten: 800 m3/h x 47,3 mWs bei 1450 min 1 und 160 PS Eingangsleistung. Wir wählen also einen Dieselmotor von 160 PS bei 1450 min-1. Die Druckrohrleitung führen wir bis 0,5 m über die Wasserlinie, eine Höhe, die für ein 160-PS-Boot angemessen erscheint. Die Rohrleitung legen wir im Saug- und Druckteil einschließlich Armaturen so aus, daß zu der geodätischen Höhe von 0,5 m noch ein Rohrleitungswiderstand von 1,8 m hinzukommt, insgesamt also 2,3 mNs Druckverlust auftreten. Die hydraulische Leistung vor der Strahldüse beträgt somit 800 m3/h x 45 mWs =A 133,3 Ps A= 0,833 Wirkungsgrad0 Anordnung eines Wasserstrahlantriebes Als Strahldüse wählen wir ein Strahlrohrmundstück nach DIN 14 200o Aus der Tabelle DIN 14 200 können wir für den vorliegenden Leistungsbereich zwar keine Daten entnehmen, aber die aus der Tabelle errechenbaren Wirkungse-rade von mehr als 0,99 werden mit zunehmender Leistung sogar noch größer, so daß wir im vorliegenden Leistungsbereich mit einem Wirkungsgrad von ca 0,995 rechnen dürften. Nehmen wir bescheiden einen Düsenwirkungsgrad von 0,990 an, so ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 0,825o Das heißt, daß die Bewegungsleistung des aus der Düse austretenden Strahles 82,5 % der eingegebenen Motorleistung beträgt. Diese Strahlleistung teilt sich nun nach dem Reaktionsprinzip in vollem Umfang dem Schiff als Schubleistung mit Hierzu ist abschließend noch folgendes zu bemerken: a) die gewählte Pumpe ist mit Sicherheit nicht die wirtschaftlichste aller möglichen, dennn die Lel.re erwähnt Wirkungsgrade von um und über 0,9C bei Rotations- und Verdrängungspumpen, b) die angenommenen Rohrleitungswider tände, die bei Bohrdurchmessern von ca, 250 mm erreicht werden, lassen sich durch noch großzügigere Rohrbemessung oder die Wahl höherer Arbeitsdrücke noch geringer halten, c) der zuletzt eingerechnete Düsenwirkungsgrad von 0,99 ist nicht korrekt, er dürfte bei 0,995 liegen; auch hier ist die Berechnung eher unter- als übertrieben.We choose a volute casing centrifugal pump as the core of the system according to DIN 24255 type NS 250-400 from Aliweiler AG with an impeller diameter of 420 mm. From the performance curves of the pump (catalog sheet No. 463 2402 002 v. Nov. 1968) we take the following data: 800 m3 / h x 47.3 mWs at 1450 min 1 and 160 HP input power. So we choose a diesel engine of 160 hp at 1450 min-1. We run the pressure pipeline up to 0.5 m above the waterline, a height that is suitable for a 160 hp boat seems appropriate. We lay the pipeline in the suction and pressure part including fittings so that in addition to the geodetic height of 0.5 m, a Pipeline resistance of 1.8 m is added, so a total of 2.3 mNs pressure loss appear. The hydraulic power in front of the jet nozzle is thus 800 m3 / h x 45 mWs = A 133.3 Ps A = 0.833 efficiency 0 Arrangement of a water jet drive As a jet nozzle we choose a jet pipe mouthpiece according to DIN 14 200o from the table We cannot take any data from DIN 14 200 for the present performance range, but the range of effects of more than 0.99 that can be calculated from the table is included increasing performance even greater, so that we are in the present performance range should expect an efficiency of approx. 0.995. Let's take one, humbly Nozzle efficiency of 0.990 results in a total efficiency of 0.825o That is, the motive power of the jet emerging from the nozzle is 82.5 % of the entered motor power. This beam power is now divided the reaction principle to the full extent of the ship as thrust performance with this is Finally, note the following: a) the selected pump is certain not the most economical of all possible, because the Lel.re mentions efficiencies of around and over 0.9C for rotary and positive displacement pumps, b) those assumed Pipe resistances that are achieved with drilling diameters of approx. 250 mm, can be achieved by dimensioning the pipe even more generously or by choosing higher working pressures keep it even lower, c) the last calculated nozzle efficiency is 0.99 incorrect, it should be 0.995; here, too, the calculation is as exaggerated.

Bei Berücksichtigung dieser Punkte erscheint die Behauptung angemessen, daß in absehbarer Zukunft die maximal möglichen Propulsionswirkungsgrade bei 0,85 bis 0,9 liegen statt wie bisher bei 0,7 bis 0,75.With these points in mind, it seems reasonable to claim that that in the foreseeable future the maximum possible propulsion efficiencies at 0.85 up to 0.9 instead of 0.7 to 0.75 as before.

Claims

Arrangement of a water jet drive

Claims characterized in that the thrust generating Water jet preferred, d. H. if possible only emitted against the ambient air will.

2. Claim according to 1, characterized in that at temporary avoiding radiation against water a mixture of water and air or of Water and another suitable gas through suitable devices in front of the jet nozzle is produced.