DE2306513A1 - Antriebssystem fuer schiffe - Google Patents

Description

Antriebssystem für Schiffe

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Schnellboote, Luftkissenfahrzeuge und Tragflächenboote. Die Mehrzahl der gegenwärtig für Schiffe benutzten Antriebe weist mechanische Kraftübertragungen nach einer Schiffsschraube oder einer in einem Kanal angeordneten Schraube auf. Es können auch andere Übertragungen benutzt werden, jedoch beschränkt sich deren Anwendung auf relativ geringe Pferdekräfte an der Welle. Für hohe Leistungen etwa in der Größenordnung von 100 000 PS und mehr ergibt sich ein schwerwiegendes Problem bei der Benutzung herkömmlicher Kraftübertragungssysteme insbesondere dann, wenn die Leistung über eine Art Strebe oder eine Verkleidung nach einer unter Wasser liegenden Schubgondel übertragen werden muß. In diesen Fällen kann die Benutzung komprimierten Gases als Leistungsübertragungsmedium zweckmäßig erscheinen, insbesondere, wenn die Energie im Hinblick auf einen maximalen Vorteil benutzt wird. Bei einigen Vorschlägen zur Benutzung dieser Energie wird eine Zweiphasenströmung innerhalb des Reaktionsantriebes benutzt und gemäß der veröffentlichten Literatur sind zwei Klassen zu unterscheiden.

Die erste Klasse umfaßt einen Hydrokanal oder einen Unterwasser-

309834/0432

•A

ORIGINAL INSP£GT£8

staustrahl, der nicht in der Lage ist, von selbst zu starten und einen vernünftigen Wirkungsgrad nur bei sehr hohen.Geschwindigkeiten ergibt und trotzdem eine obere Höchstgeschwindigkeit wegen den hohen Luftinjektionsdrücken hati die notwendig werden. Die andere Klasse der ifäktionsantriebe, die als Verbesserung des Hydrokanals angesehen werden kann, besitzen Pumpen oder andere Rotoren innerhalb des Kanals, '" um den Innendruck anzuheben. Diese Pumpe wird entweder von einer äußeren Quelle oder von innen her durch Zweiphasenturbinen angetrieben, wie diese beispielsi\reise in der GB-PS 1 238 995 beschrieben sind» Diese Anordnungen erfordern auch noch eine äußere starteinrichtung und besitzen einige bemerkenswerte Nachteile. Einer dieser Hachteile besteht darin, daß die Gasexpansion etx*?a isotherm!sch verläuft, wodurch sich eine obere Grenze für die Energieübertragung für eine gegebene Einlaßdruckbedingung ergibt, wobei zu berücksichtigen ist, daß die für solche Anlagen benutzten Koiupressortypen gewöhnlich Eicht mit einer Zwischenkühlung versehen sind und daher eine Leistung absorbieren näher dem adiabatischen Kompressionsfalls. Außerdem besitzen die meisten bekannten Einrichtungen sowohl eine äußere als auch eine begrenzte innere Diffusion im Kanaleingang, die beide erwünscht-sind, aber bei Maschinen, die nur eine oder zwei Druckstufen haben,» wird ein weiteres Diffusionsverfahren zusätzlich wirksam^ weil die zugeordneten Verluste unvermeidbar den Gesamtwirkungsgrad des Kanals absinken lassen. Wenn eine Zweiphasenturbine als Antrieb für die Drückpumpe benutzt wird, ergeben sich Probleme der Strömungstrennung in der Düse und der Beschaufelung, wodurch eine nicht homogene Zweiphasenmischung erzeugt wird, -die in der Schubdüse nicht in der erwünschten Weise expandieren kann, wodurch sich ein weiterer Wirkungsgradverlust ergibjf.

•A 3G9634/1H3S

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Antrieb zu schaffen, der wenigstens einige der Nachteile bekannter Antriebe vermeidet.

Gemäß der Erfindung weist der Schiffsantrieb einen Kanal auf, in dem in Strömungsrichtung hindereinander ein divergenter Abschnitt, ein der Mischung dienender Mittelabschnitt mit einem Zentralkörper und eine Düse aufeinanderfolgen, die als Konvergent/Divergent-Düse ausgebildet ist, wobei der Zentralkörper in Strömungsriehtung hindereinander eine Verbrennungseinrichtung und eine Turbine aufweist und mit Brennstoff sowie komprimierter Luft von einer fern vom Zentralkörper liegenden Quelle gespeist wird, wobei die Turbine einen Impulsrotor am Auslaß der Düse antreibt und die Abgase der Turbine in den mittleren Mischabschnitt des Kanals strömen.

Die Quelle kiSprimierter Luft kann von irgendeiner Gestalt sein und z.B. aus einem Gasgenerator mit einer Nutzleistungsturbine bestehen, die einen Kompressor antreibt, dessen Auslaß nach dem Zentralkörper überführt wird, oder es kann ein relativ großer Gasgenerator vorgesehen werden, mit der Möglichkeit, einen großen Teil der komprimierten Luft vom Kompressor des Gasgenerators abzuzapfen oder es kann ein Gasturbinentriebwerk mit einer zusätzlichen Kompressorstufe und einer Turbine vorgesehen werden, die einen niedrigen Druckabfall hat, so daß der Auslaßdruck im wesentlichen der gleiche ist, wie der der beiden bereits erwähnten Quellen, wobei die heißen Abgase vom Triebwerk nach dem Zentralkörper überführt werden.

Der Gasgenerator der ersterwähnten Quelle kann von der Zweiwellenbauart sein, wobei die beiden Wellen seitlich im Abstand zueinander liegen und ein Zwischen-kühler zwischen

309834/0432 -A

den Kompressoren jedes Gasgenerators vorgesehen wird.

Vorzugsweise ist die Antriebseinheit; _am Schiffskörper mittels einer hohlen stromlinienförmig gestalteten Strebe befestigt, durch die komprimierte Luft und Brennstoff hindurchtreten kann, wobei die Quelle komprimierter Luft im Rumpf des Schiffes angeordnet wird. · ■

Ein solcher Schiffsantrieb oder mehrere solcher Schiffsantriebe körinen jegliche Typen von Schiffen antreiben, z.B. normale Verdrängerschiffe oder Luftkissenfahrzeuge oder Tragflächenboote, im besonderen Maße ist jedoch der erfindungs-r gemäße Antrieb geeignet zum Vortrieb relativ großer Luftkissenfahrzeuge mit hohen Geschwindigkeiten,

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 bis j5 verschiedene Ausführungsformen bekannter Zweiphasenvortriebsanlagen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausfuhrungsform eines Antriebs*

Fig. 5 bis 8 schematisQhe Ansichten verschiedener Drucklufterzeuger für den Antrieb gemäß Fig. 4.

Fig, 1 zeigt. eine. Anordnung, die als "Sprühstrahl" (mist jet) bekannt ist und bei der eingeschöpftes Wasser mit Injektoren komprimiert wird, die innerhalb des Kanals angeordnet sind, der Hochdruckluft beispielsweise von einem Mantelstromgebläse erhält, das von einem Gasturbinentriebwerk oder einer anderen Kraftmaschine geliefert wird.

Dieser Antrieb erfordert ein komplexes Injektorsystem um eine gleichförmige verteilung von Wassertropfen, zu erlangen und das Vorhandensein des Wasserinjektors im Hochdruckkanal

3Q9S34/G432 ^?/*

ergibt einen beträchtlichen Druckverlust im Kanal, was wiederum eine größere Leistung erfordert, um das Gebläse anzutreiben, als dies der Fall bei einem einfachen Kanal wäre. Auch muß sich das Schöpfwasser über eine beträchtliche Tiefe in das Wasser hinein erstrecken, um die Wellenhöhe und die Bewegung des Fahrzeuges zu berücksichtigen, wodurch sich ein beträchtlicher Widerstandswert für das Fahrzeug ergibt. Informationen über diese Schiffsart sind aus folgenden Veröffentlichungen verfügbar:

A Review of Two-Phase Marine Propulsion R.Meunch and J.Garret, NSRDC Annapolis A.I.A.A. Paper 72-589, A Wateraugmented Air Jet for the Propulsion of High speed Marine Vehicles R.Meunch and A.Ford, NSRDC Annaplis, A.I.A.A. Paper 69-405, A Preliminary Parametric Study of a Water-augmented Air Jet for High speed Ship Propulsion - R.Meunch and T.Keith, U.S.Navy Marine Engineering Laboratory, Annapolis, R & D Report 358/66 - February 1967.

Fig. 2 zeigt einen Hydrostaustrahl-Antrieb, welcher einen Kanal mit einem Luftinjektor besitzt, wobei der Kanal einen Einlaufdiffusor und eine stromunterseitig angeordnete Düse aufweist. Dieser Antrieb stellt das Wasseräquivalent eines aerodynamischen Staustrahlantriebs dar.

Dieser Reaktionsantrieb kann selbst nicht starten und infolge der Schwierigkeiten der Erlangung einer feinen Verteilung von Gasblasen arbeitet dieser Antrieb mit einem niedrigen Schubkoeffizienten. Wenn das Volumen des eingespritzten Gases vergrößert wird, ist die praktische Grenze erreicht, wenn Blasen von beiden Enden des Antriebs emittiert werden und der Wirkungsgrad rapid fällt.

Dieser Antriebstyp kann verbessert werden, indem eine Pumpe in den Einlaß des Kanals so eingebaut wird, daß die

309834/0432 ,

Anlage selbst starten kann und auch der Druck'im Mischteil _ -. ., entsprechend größer ist.

Eine Information über diese Antriebstype gemäß Fig. 2. kann den Veröffentlichungen entnommen werden: ~ " .

A Review of Two-Phase Marine Propulsion - R.Meuneh and J.Garret, NSRDC Annapolis, A.I.A.A. Paper 72-589, Preliminary investigation of an Underwater Ramjet powered by compressed air, - E.Mottard and C.Shoemaker, NASA TN.D-991, December 1961, A note on Air Blown Water Ramjets, - G.Gadd, NPL Ship Division. ■ .

Fig. 5 zeigt einen Hydro-Turbo-Jet-Antrieb und dies ist das WasseräjuLvalent eines Flugzeuggasturbinenstrahltriebwerks. Diese Type eines Reaktionsantriebs usafaßt einen Kanal., in dem eine durch eine Turbine angetriebene stromoberseitige Pumpe und ein Luftinjektor in einem Mischabschnitt des Kanals vorgesehen sind, der einen Einlaufdiffusor und eine Düse stromunterseitig der Turbine aufweist.

Man sieht das Strömungsfeld als mit einigen Nachteilen behtftet an, insbesondere in der Fläche der Turbine und den. zugeordneten Düsen, wo vorausgesetzt werden kann, daß eine Trennung der nominell homogenen Zweiphasenströmung in getrennte Phasen leicht auftreten kann« Bei der Trennung bläst die Gasphase durch ohne die Expansionsenergie auf die Flüssigkeitsströmung zu übertragen und dadurch wird die Turbinenleistung trastisch reduziert. Eine Information über diese Typen findet sich in folgenden Veröffentlichungen:

A Review of Two-phase Marine Propulsion, - R.Meunch and J.Garret NSRDC Annapolis,AI.A.A. Paper 72-589 and U.K.Patent No.1 2^8 995.

Fig. 4 zeigt einen Reaktionsantrieb_fl der mittels einer stromlinienförmig gestalteten hohlen Strebe 12 an einem

309834/8432

nicht dargestellten Schiff befestigt ist. Diese Vortriebseinheit wird mit sicherem Abstand unter der Wasserlinie montiert und die strebe wird gegenüber der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges, die durch den Pfeil F gekennzeichnet ist, angestellt.

Die Antriebseinheit 10 umfaßt eine Röhre 14 mit eimern divergierenden Diffusorabschnitt B, einem mittleren Mischabschnitt C und einem Düsenabschnitt D mit einer Zweiphasenbesehleunigungsdüse 16 der Konvergent/Divergent-Bauart. Außerdem ist ein rückwärtiger Abschnitt E vorgesehen, in dem ein Impulsrotor 18 angeordnet ist. .

Innerhalb des von der Röhre gebildeten Kanals ist ein Zentralkörper 20 angeordnet, der in Strömungsrichtung hinterinander eine Verbrennungseinrichtung und eine Turbine 22 enthält. Die Turbine treibt den Impulsrotor 18 über eine Welle 24, die von Lagern 26 getragen wird.

Brennstoff und komprimierte Luft werden der Verbrennungseinrichtung 20 über Leitungen 28 bzw. 30 innerhalb der Strebe 12 zugeführt, denn die Druckluftquelle und der Brennstofftank sind entfernt von dem Reaktionsantrieb im Rumpf des Schiffes untergebracht. Brennstoff und komprimierte Luft werden miteinander vermischt und verbrannt und die Brennstoffzufuhr wird in bekannter Weise z.B. wie bei einem Gasturbinenstrahltriebwerk gesteuert.

Die Abgase der Turbine treten in eine Füllkammer 32 ein und strömen dann in zwei radial verlaufende Kanäle 34, die beide mit mehreren Auspuffschlitzen 36 am stromabwärtigen Teil jedes Kanals 34 vorgesehen sind.

Fig. 5 zeigt eine schematische Anordnung eines Gasgenerators zum Antrieb einer Nutzleistungsturbine 40, die mit einem Kompressor 42 gekuppelt ist, dessen Ausgang einer Leitung

309834/0432

zugeführt wird. Die Nutzleistungsturbine 40 kann mit der Welle des Gasgenerators 38 gekuppelt sein oder sie kann als freie Nutzleistungsturbine ausgebildet sein.

Gemäß Fig. 6 umfaßt die Druckgasquelle ein Gasturbinentriebwerk 44 mit einem Kompressor 46, von dem ein großer Teil komprimierter Luft vom stromunterseitigen Ende des Kompressors abgezogen und einer Leitung 30 zugeführt werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist die Druckgasquelle wiederum ein Gasturbinentriebwerk 46 mit einem Kompressor 48, der eine zusätzliche Stufe 48a, eine Verbrennungseinrichtung und eine Turbine 52 mit einem relativ niedrigen Gesamtdruckabfall aufweist, so daß der Druck an der Turbinenabgasseite mit dem Druck am Auslaß der in Fig. 5 und 6 beschriebenen Druckgasquellen vergleichbar wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist die Druckgasquelle jener nach Fig. 2 gleich mit dem Unterschied, daß ein Zweiwellengasgenerator Verwendung findet, bei dem die Wellenachsen seitlich versetzt sind und nicht koaxial und im axialen Abstand zueinander liegen. Die Wellen tragen Kompressoren^, 56 und Turbinen 58, 60 und es. ist ein Zwischenkühler 55 zwischen den Kompressoren 54,56 vorgesehen. Ein Gasgenerator 62 treibt die Turbinen 58,60 an.

Im Betrieb wird komprimierte Luft der Verbrennungseinrichtung zugeführt. Es findet eine Verbrennung statt und die Turbine läuft und treibt den Irapulsrotor an, welcher eine Vorwärts- \ bewegung des Fahrzeuges verursacht. Es strömt Wasser in den Kanal, das nach einer gewissen äußeren Diffusion im Bereich direkt stromoberseitig des Kanaleinlasses einer weiteren Diffusion innerhalb des Abschnitts B unterworfen wird und der Ausgang der Turbine strömit in das Wasser ab, um eine Zweiphasenmischung zu bilden. Die Mischung wird durch »

309834/043 2

die Düse l6 beschleunigt und durch den Impulsrotor 18 wird dem Strömungsmittel kinetische Energie zugesetzt.

Der beschriebene Reaktionsantrieb 10. stellt eine Verbesserung gegenüber bekannten Antrieben dar, weil der einzige DiffusionsVorgang ein äußerer Effekt ist und nur eine beschränkte innere Diffusion im Einlaßabschnitt stattfindet. Zahlreiche der bekannten Vorrichtungen benutzen weitere Diffusionsvorgänge zwischen Pumpe und Statorstufen usw., wodurch unvermeidbar ein größerer Gesamtenergieverlust durch die durch den Kanal hindurchtretende Flüssigkeit verursacht wird. Wenn man das Strömungsmittel betrachtet, welches gegenüber der Einlaßbedingung ein wenig einer Diffusion unterworfen wurde und wenn man aus der Figur entnimmt, daß an dieser Stelle eine Mischung mit einem beträchtlichen Teil von Gas stattfindet, das von der oben beschriebenen Nutzleistungsturbine herrührt, dann ergibt sich, daß "die Mischung danach in bekannter Weise expandiert, d.h. gemäß den Gesetzen der Zweiphasenströmung, und zwar über eine Beschleunigungsdüse, welche für Druckverhältnisse, die einen gewissen berechenbaren Wert überschreiten, die angegebene Gestalt aufweisen kann, d.h. eine Konvergent/Divergent-Form. Am Austritt dieser Düse tritt die Mischung in den Rotor ein. Wenn herkömmliche Läufer in einer Zweiphasenumgebung arbeiten, hat sich häufig gezeigt, daß eine vollständige Strömungstrennung auf der Saugseite der -Schaufel auftritt, d.h. auf der nicht arbeitenden Oberfläche, was bei der Übertragung von Gas auf Flüssigkeit einen Energieverlust zur Folge hat. In diesem Falle kann aus dieser Wirkung Nutzen gezogen werden und der durch die mehrstufige Gasturbine angetriebene Läufer arbeitet auf die Zweiphasenmischung im Impulsbetrieb, d.h. ohne irgendeine Änderung des statischen Druckes über dem Rotor. Diese Wirkung muß der kinetischen Energie des Strömungsmittels hinzugefügt werden, wodurch sich eine Beschleunigung der ausströmenden Flüssigkeit auf einen höheren

309834/0432

Wert ergibt als derjednige beträgt, der am Ende der Expansionsdüse vorhanden ist. Auf diese Weise wird der Gesamtschub dieser Antriebseinheit beträchtlich über jenen Wert erhöht, der bei Systemen erlangt werden kann, welche keinen solchen Rotor besitzen. Die Ausbildung des Rotors der für diese Arbeitsweise geeignet ist, die als "Ventilier"-Strömung bezeichnet werden kann und eine ähnliche Charakteristik hat, wie eine Superkavitationsströmung, ist bekannt und bildet demgemäß keinen Gegenstand der Erfindung.

Hatentansprüche;

309834/0A32

Claims (9)

Patentansprüche :

1) Schiffsantrieb, dadurch g e k e nnz e i c h η e t, daß sie einen in einem Rohr verlaufenden Kanal aufweist, der in Strömungsrichtung hintereinander einen divergierenden Abschnitt, einen mittleren Mischabschnitt, dem ein Zentralkörper wenigstens teilweise angeordnet ist und einen Düsenabschnitt aufweist, der eine Konvergent/Divergent-Düse besitzt, daß dem Mittelkörper Druckluft und Brennstoff zugeführt werden und daß dieser in Strömungsrichtung hintereinander eine Verbrennungseinrichtung und eine Turbine besitzt, welch letztere einen ImpulsrofroE treibt, der am stromunterseitigen Ende der Düse angeordnet ist und daß der Ausfluß der Turbine in den Mischabschnitt des Kanals gelangt.

2) Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zei chnet, daß die Grasverteilungseinrichtung stromunterseitig der Turbine angeordnet ist und eine Füllkammer sowie wenigstens zwei radial verlaufende Kanäle aufweist, die mehrere Auslaßöffnungen für den Gasausfluß besitzen.

3) Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft von einem Kompressor erzeugt wird, der entfernt vom Kanal und dem Mittelkörper untergebracht ist.

4) Schiffsantrieb nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zei chnet, daß der Kompressor in Strömungsrichtung hinteeLnander einen ersten Kompressor, eine Verbrennungseinrichtung und eine den Kompressor antreibende Turbine sowie eine Nutzleistungsturbine aufweist, welch letztere einen zweiten Kompressor antreibt, dessen Auslaß nach

30983A/0432 ./·

dem Zentralkörper geleitet wird.

5) Schiffsantrieb nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -

ζ e i c h ne Jb, daß die Druckluftquelle ein Gasturbinentriebwerk umfaßt und daß die Druckluft für den Zentralkörper vom Kompressor des Gasturbinentriebwerks abgezapft wird.

6) Schiffsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftquelle ein Gasturbinentriebwerk umfaßt, welches wenigstens eine, zusätzliche Kompressorstufe und einen niedrigen Druckabfall über der Turbine besitzt und daß die Abgase der Turbine nach dem Mittelkörper geleitet werden.

7) Schiffsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgaserzeuger einen · Zweiwellengasgenerator umfaßt, dessen Wellen parallel zueinander angeordnet sind und der einen Zwischenkühler besitzt, daß die beiden Wellen durch die Abgase eines Gasturbinentriebewerks angetrieben werden und daß die Abgase des Zweiwellengasgenerators dem Zentralkörper zugeleitet werden.

8) Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß er von einer stromlinienförmigen, am Schiffskörper befestigten Strebe getragen wird.

9) Schiffsantrieb nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η-

z e i c h, η e t, daß er an einem Verdrängungsschiff, einem Luftkissenfahrzeug oder einem Tragflächenboot angeordnet ist.

309834/04 3 2