DE2306513C3 - Schubrohr-Wasserstrahlantrieb mit Treibgasbeimischung für Wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb, besonders für Schnellboote, Luftkissenfahrzeuge und Tragflächenboote. Die Mehrzahl der gegenwärtig für Schiffe benutzten Antriebe weist mechanische Kraftübertragungen zu 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 Wellenleistung. 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 zu einer unter Wasser liegenden Schubgondel übertragen werden muß. In diesen Fällen kann die Benutzung komprimierten Gases als Leistungsübertragungsmedium zweckmäßig erscheinen. Bei einigen Vorschlägen wird eine Zweiphasenströmung innerhalb des Reaktionsantriebes benutzt. Gemäß der Literatur sind hierbei zwei Klassen zu unterscheiden.

Die erste Klasse umfaßt ein Unterwasserstaustrahltriebwerk, das nicht in der Lage ist, von selbst zu starten und einen ausreichenden Wirkungsgrad nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten aufweist, wobei jedoch eine obere Höchstgeschwindigkeit wegen der hohen Luftinjektionsdrücke nicht überschritten werden kann. Die andere Klasse der Reaktionsantriebe, die als Verbesserung des Staustrahltriebwerks angesehen werden kann, besitzt Pumpen oder andere Rotoren innerhalb des Kanals, um den Innendruck anzuheben. Diese Pumpen werden entweder von einer äußeren Quelle oder von innen her durch Zweiphasenturbinen angetrieben, wie diese beispielsweise in der GB-PS 12 38 995 beschrieben sind. Diese Anordnungen erfordern auch noch eine äußere Starteinrichtung und besitzen einige bemerkenswerte Nachteile. Einer dieser Nachteile besteht darin, daß die Gasexpansion etwa isothermisch verläuft wodurch sich eine obere Grenze für die Energieübertragung für einen gegebenen Einlaßdruck ergibt, wobei zu berücksichtigen ist daß die für solche Anlagen benutzten Kompressortypen gewöhnlich nicht mit einer Zwischenkühlung versehen sind und daher eine der adiabatischen Verdichtung entsprechenden Leistungsaufnahme aufweisen. Außerdem weisen die meisten bekannten Einrichtungen sowohl eine äußere als auch eine begrenzte innere Divergenz im Kanaleingang auf, die beide erwünscht sind. Bei Maschinen jedoch, die nur eine oder zwei Druckschriften haben, wird eine weitere divergente Strecke erforderlich, weil die zugeordneten Verluste unvermeidbar den Gesamtwirkungsgrad des Kanals absinken lassen. Wenn eine Zweiphasenturbine als Antrieb für die Druckpumpe benutzt wirr¹, 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 ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge zu schaffen, der unter Vermeidung der geschilderten Nachteile einen hohen Wirkungsgrad in weiten Geschwindigkeitsbereichen besitzt.

Die Erfindung geht aus von einem Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge mit einem düsenartigen Kanal als Schubrohr, der in Strömungsrichtung hintereinander einen divergierenden Abschnitt, einen Mischabschnitt in welchem dem das Schubrohr durchströmenden Wasser ein Treibgas beigemischt wird und in dem koaxial auf einem Teil seiner Länge ein strömungsgünstig geformter Körper angeordnet ist, und der anschließend in einen Düsenabschnitt übergeht, der eine zunächst konvergente,, dann divergente Form besitzt, wobei der koaxiale Körper eine Brennkammer enthält, der Druckluft und Brennstoff zugeführt werden. Bei einem solchen Strahlantrieb wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Strömungsrichtung hinter der Brennkammer in dem koaxialen Körper eine Verbrennungsturbine angeordnet ist, welche eine Propellerpumpe antreibt die im divergierenden Ende des Schubrohres angeordnet ist, und daß die Abgase der Turbine als Treibgas im Mischabschnitt dem das Schubrohr durchströmenden Wasser zugesetzt werden, und daß das Gas-Wassergemisch der Propellerpumpe zuströmt.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Strahlantriebes beruht einmal darauf, daß eine Propellerpumpe in dem Strömungskanal angeordnet ist, der von dem angesaugten Wasser durchströmt wird, und zum anderen darauf, daß diesem Wasserstrom in möglichst feiner Verteilung ein Gas als Abgas von der Turbine zugeführt wird, welches infolge der Kavitationswirkung an den Schaufeln des Propellers einseitig anhaftet und ein im wesentlichen gasfreier Wasserstrahl gebildet wird, der zusätzlich für die Vortriebserzeugung infolge der Düsenwirkung Schubkraft liefert. Der Erfindung liegt die Er-

kenntnis zugrunde, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Propellerrades in dem von einer Mischung aus Gas und Wasser durchströmenden Kanal eine Entmischung von Wasser und Gas eintritt und hierdurch besonders günstige Antriebsverhältnisse geschaffen werden.

Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist hinter der Verbrennungsturbine für die Abgase eine Benihigungskammer angeordnet, von der wenigstens zwei radial verlaufende Kanäle abzweigen, die mehrere Gasausflußschlitze besitzen, die in das Schubrohr münden. Die Druckluft, die innerhalb der Brennkammer Jer Verbrennungsturbine zur Verbrennung benötigt wird, liefert ein Gasgenerator, der im Rumpf des Wasserfahrzeugs untergebracht ist. Dieser kann beispielsweise als Gasturbinentriebwerk ausgebildet sein, wobei die Druckluft am Triebwerkskompressor abgezapft werden kann oder auch von einem zusätzlichen Kompressor, der von der Turbine des Triebwerks oder einer zusätzlichen Nutzleistungsturbine angetrieben wird.

Ein derart ausgebildeter Strahlantrieb kann für beliebige Wasserfahrzeugtypen vorgesehen werden, z. B. normale Verdrängerschiffe, Luftkissenfahrzeuge oder Tragflächenboote. Im besonderen Maße ist jedoch der erfindungsgemäße Strahlantrieb zum Vortrieb relativ großer Luftkissenfahrzeuge mit hoher Geschwindigkeit geeignet.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schiffs-Strahlantriebs,

F i g. 2 bis 5 schematische Ansichten verschiedener Drucklufterzeuger für den Strahlantrieb gemäß F i g. 1.

F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäß aufgebauten Reaktionsantrieb, der mittels einer stromlinienförmig gestalteten hohlen Strebe 12 an einem nicht dargestellten Schiff befestigt ist. Diese Vortriebseinheit wird mit sicherem Abstand unter der Wasserlinie montiert und die Strebe gegenüber der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges, die durch den Pfeil F gekennzeichnet ist, angestellt.

Die Antriebseinheit 10 umfaßt ein Schubrohr 14 mit einem divergierenden Diffusorabschnitt S, einem mittleren Mischabschnitt C und einem Düsenabschnitt D mit einer Zweiphasenbeschleunigungsdüse 16 der Konvergent/Divergent-Bauart. Außerdem ist ein rückwärtiger Abschnitt E vorgesehen, in dem eine Propellerpumpe angeordnet ist.

Innerhalb des von dem Schubrohr 14 gebildeten Kanals ist ein koaxialer Körper 10a angeordnet, der in Strömungsrichtung hintereinander eine Ringbrennkammer und eine Verbrennungsturbine 22 enthält. Die Turbine treibt die Propellerpumpe 18 über eine Welle 24, die von Lagern 26 getragen wird.

Brennstoff und komprimierte Luft werden der Brennkammer 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 z. B. wie bei einem Gasturbinenstrahltriebwerk gesteuert.

Die Abgase der Turbine treten in eine Beruhigungskammer 32 ein und strömen dann in zwei radial verlau- &5 fende Kanäle 34, die beide mit mehreren Gasausflußschlitzen 36 am stromabwärtigen Teil vorgesehen sind.

F i g. 2 zeigt eine schematische Anordnung eines Gasgenerators 38 zum Antrieb einer NutzleistungstUrbine 40, die mit einem Kompressor 42 gekuppelt ist, dessen Ausgang einer Leitung 30 zugeführt wird. Die Nutzungsturbine 40 kann mit der Welle des Gasgenerators 38 gekuppelt sein oder sie kann als freie Nutzleistunggsturbine ausgebildet sein.

Gemäß F i g. 3 umfaßt die Druckgasquelle ein Gasturbinentriebwerk 44 mit einem Kompressor 46, von dem ein großer Teil komprimierter Luft vom stromabseitigen Ende des Kompressors abgezogen und einer Leitung 30" zugeführt werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist die Druckgasquelle wiederum ein Gasturbinentriebwerk mit einem Kompressor 48, der eine zusätzliche Stufe 48a, eine Verbrennungseinrichtung 50 und eine Turbine 52 mit einem relativ niedrigen Gesamtdruckabfall aufweist, so daß der Druck an der Turbinenabgasseite mit dem Druck am Auslaß der in F i g. 2 und 3 beschriebenen Druckgasquellen vergleichbar wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 findet ein Zweiwellengasgenerator Verwendung, bei dem die Wellenachsen seitlich versetzt sind und nicht koaxial und im axialen Abstand zueinander liegen. Die Wellen tragen Kompressoren 54, 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 Brennkammer 20 zugeführt. Es findet eine Verbrennung statt und die Turbine 22 läuft und treibt die Propellerpumpe 18 an, welche eine Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges verursacht. Es strömt Wasser in den Kanal, das nach einer gewissen äußeren Divergenz im Bereich direkt stromoberseitig des Kanaleinlasses einer weiteren Divergenz innerhalb des Abschnitts B unterworfen wird. Am Auslaß der Turbine 22 strömt das Gas fast drucklos in das Wasser, um eine Zweiphasenmischung zu bilden. Die Mischung wird durch die Düse 16 beschleunigt. Durch die Propellerpumpe 18 wird dem Strömungsmittel kinetische Energie zugesetzt.

Der beschriebene Reaktionsantrieb 10 stellt eine Verbesserung gegenüber bekannten Antrieben dar, weil der einzige Strömüngserweiterungsvorgang ein äußerer Effekt ist und nur eine beschränkte innere Strömungserweiterung im Einlaßabschnitt stattfindet. Zahlreiche der bekannten Vorrichtungen benutzen weitere Erweiterungen zwischen Pumpe und Statorstufen usw, wodurch unvermeidbar ein größerer Gesamtenergieverlust durch den Kanal hindurchtretender Flüssigkeit verursacht wird. Wenn man das Strömungsmittel betrachtet, welches gegenüber dem Einlaßzustand einem geringen Erweiterungsvorgang unterworfen wurde, und wenn man aus der Figur entnimmt, daß in diesem Zustand eine Mischung mit einem beträchtlichen Teil des Gases stattfindet, das von der oben beschriebenen Nutzleistungsturbine herrührt, dann ergibt sich, daß die Mischung danach gemäß den Gesetzen der Zweiphasenströmung expandiert, und zwar über eine Beschleunigungsdüse, welche für Druckverhältnisse, die einen gewissen Wert überschreiten, eine konvergent/divergentt· Form haben kann. Am Austritt dieser Düse tritt die Mischung in die Propellerpumpe ein. Wenn Propeller in einer Zweiphasenumgebung arbeiten, hat sich 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 Wir-

kung Nutzen gezogen werden. Der durch die mehrstufige Gasturbine angetriebene Propeller arbeitet auf die Zweiphasenmischung im Gleichdruckbetrieb, d. h. ohne irgendeine Änderung des statischen Druckes über den Propeller. Die Leistung des Propellers wird der kinetischen Energie des Strömungsmittels hinzugefügt, wodurch sich eine Beschleunigung der ausströmenden Flüssigkeit auf einen höheren Wert ergibt als derjenige 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 keine solche Propellerpumpe besitzen. Die Ausbildung der Propellerpumpe, die für diese Strömung geeignet ist, die als entlüftete Strömung bezeichnet werden kann und eine ähnliche Charakteristik hat wie eine Superkavita tionsströmung, ist wie üblich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge mit einem düsenartigen Kanal als Schubrohr, der in Strömungsrichtung hintereinander einen divergierenden Abschnitt einen Mischabschnitt, in welchem dem das Schubrohr durchströmenden Wasser ein Treibgas beigemischt wird und in dem koaxial auf einem Teil seiner Länge ein strömungsgünstig geformter Körper angeordnet ist, und der anschließend in einen Düsenabschnitt übergeht, der eine zunächst konvergente, dann divergente Form besitzt, wobei der koaxiale Körper eine Brennkammer enthält, der Druckluft und Brennstoff zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung der Brennkammer (20) in dem koaxialen Körper (10a) eine Verbrennungsturbine (22) angeordnet ist, welche eine Propellerpumpe (iS) antreibt, die im divergierenden Ende des Schubrohres (14) angeordnet ist, und daß die Abgase der Turbine (22) als Treibgas im Mischabschnitt (C) dem das Schubrohr (14) durchströmenden Wasser zugesetzt werden, und daß das Gas-Wassergemisch der Propellerpumpe (18) zuströmt

2. Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Verbrennungsturbine (22) für die Abgase eine Beruhigungskammer (32) angeordnet ist von der wenigstens zwei radial verlaufende Kanäle (34) abzweigen, die mehrere Gasausflußschlitze (36) besitzen, die in das Schubrohr (14) münden.

3. Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft von einem Kompressor (42,46) erzeugt wird, der im Rumpf des Wasserfahrzeugs untergebracht ist