DE2362168C1 - Antriebssystem für Unterwasserfahrzeuge - Google Patents

Description

30

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere Torpedos, mit einem mit luftsauerstoffunabhängigen Zweikomponenten-Treibstoff aus je einem Tank für flüssigen Brennstoff und flüssigen Oxydator gespeisten Gaserzeuger, dessen Treibgase eine ein- oder mehrstufige Nutzleistungsturbine beaufschlagen, mit Einspritzung von als Kühl- und zusätzliches Arbeitsmittel dienendem Wasser in die heißen Treibgase vor der Nutzleistungsturbine und mit einem von dem die Nutzleistungsturbine verlassenden noch heißen Abgas durchströmten Kühler, in dem das Abgas vor dem Austritt in das umgebende Wasser zumindest teilweise kondensiert wird.

Torpedoantriebe müssen möglichst kompakt, leicht, schnell einsatzbereit, blasenfrei, in ihrer Leistung tauchtiefenunabhängig, störungsunanfällig, für Übungszwecke aus Kostengründen mehrfach wiederverwendbar und dennoch leistungsstark und weitreichend sein.

Als Motor für ein Antriebssystem, das diesen vielfältigen und teilweise konträren Anforderungen genügen soll, bietet sich wegen ihrer kompakten und relativ einfachen Bauweise, sowie ihres extrem niedrigen Leistungsgewichts natürlich in erster Linie die Turbine an, die dementsprechend bereits ziemlich früh, z. B. im sogenannten Walter-Torpedo während des zweiten Weltkrieges verbreitete Verwendung für diesen Zweck gefunden hat.

Nach dem zweiten Weltkrieg kamen jedoch Torpedoantriebe mit Turbinen als Motor in der Praxis nahezu völlig außer Gebrauch und auch die Entwicklung ging weitgehend andere Wege, was wohl darauf zurückzuführen sein dürfte, daß Turbinen neben ihren unbestreitbaren Vorzügen, wie geringes Leistungsgewicht und geringer Platzbedarf, auch Eigenschaften aufweisen, die insbesondere bei einem Einsatz in Torpedoantrieben schwerwiegende Mängel darstellen. So ist der Wirkungsgrad von Turbinen bekanntlich verhältnismäßig niedrig und kann ebenso wie deren zudem tauchtiefenabhängige und mit zunehmender Tauchtiefe sinkende Leistung bei in Torpedoantrieben eingesetzten Turbinen mit bislang bekannten Mitteln und vertretbarem Aufwand nicht oder jedenfalls nicht ausreichend gesteigert werden, da einer Drehzahlerhöhung durch die Drehzahlfestigkeit der Lager und Turbinenräder ebenso Grenzen gesetzt sind, wie einer Erhöhung des Treibgasdrucks und/oder der Treibgastemperatur durch die mechanische und thermische Belastbarkeit des Gaserzeuger- und Turbinenmaterials. Hinzu kommt, daß Torpedoantriebe praktisch blasenfrei arbeiten müssen, um den anlaufenden Torpedo nicht durch eine Blasenspur zu verraten und das eigene, auf Schallbasis arbeitende Zielsuchgerät nicht zu stören.

Diese Gegebenheiten machen es praktisch unmöglich, einen allen Anforderungen genügenden Treibstoff für Torpedoantriebssysteme mit einer Turbine als Motor zu finden, d. h. ein flüssiges Treibstoff system, das sowohl auf das Gewicht als auch auf den Rauminhalt bezogen extrem energiereich ist und extrem hohe Treibgasmengen liefert, die dennoch nicht zu einer thermischen Überlastung des Gaserzeugers und/oder der Turbine führen und nach dem Austritt aus der Turbine blasenfrei und — mit Rücksicht auf einen unbeschränkten Übungsbetrieb in Friedenszeiten — möglichst ohne Umweltschädigung in das umgebende Meerwasser abgeführt werden können.

Die Schwierigkeiten, die die Entwicklung von Torpedoantrieben mit Turbinen als Motor bereitet und die Mangelhaftigkeit der meisten bekannten Torpedoantriebe dieses Typs läßt beispielsweise ein bekanntes Antriebssystem für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere Torpedos erkennen, bei dem aus katalytisch zersetztem Wasserstoffperoxyd gewonnene Treibgase eine Nutzleistungsturbine beaufschlagen, deren Abgase, die aus einem Wasserdampf-Sauerstoffgemisch bestehen, in einem Wärmeaustauscher gekühlt und unter gleichzeitiger Beseitigung des Sauerstoffgases durch Verbrennen oder Absorption dem in eine als eigentliches Antriebsorgan vorgesehene Wasserschubdüse eintretenden Wasser zugemischt werden, um während der Unterwasserfahrt den Austritt von Gasblasen zu vermeiden, die sich an der Meeresoberfläche als verräterische Blasenspur abzeichnen würden (US-PS 31 34 353).

Dieses bekannte Antriebssystem, das zum einmaligen Antrieb, insbesondere für Torpedos, bestimmt ist, ist vor allem mit folgenden Mängeln behaftet:

Der Treibstoff, Wasserstoffperoxyd, besitzt, bezogen auf seine Dichte, nur einen mittelhohen Energieinhalt und ist nur mit Einschränkungen lagerungsbeständig. Weiterhin ist zur Beseitigung des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs eine eigene aufwendige Einrichtung erforderlich.

Die Nachteile des vorstehenden Antriebssystems vermeidet als einziges ein erst vor wenigen Jahren entwickeltes bekanntes Antriebssystem der eingangs bezeichneten Art, bei dem als Brennstoff flüssiger Wasserstoff und als Oxydator flüssiger Sauerstoff verwendet, zur Kühlung der bei der Verbrennung dieses energiereichen Treibstoffsystems anfallenden, für die Nutzleistungsturbine zu heißen Treibgase und zur gleichzeitigen Vermehrung der Treibgasmenge vor der Nutzleistungsturbine in einer bordeigenen Meerwasserentsalzungsanlage gewonnenes Wasser eingespritzt und das die Nutzleistungsturbine verlassende Abgas durch indirekte Kühlung mit Seewasser in einem Wärmetau-

scher zumindest teilweise kondensiert wird (DE-PS 12 85 352). Dieses bekannte Antriebssystem ist zwar zweifellos allen anderen bekannten Torpedoantrieben mit Nutzleistungsturbinen als Motor weit überlegen und insbesondere nicht mit deren schwerwiegendsten Mängeln behaftet, da Knallgas ein sehr energiereiches Treibstoffsystem ist und die Beseitigung von Sauerstoff aus dem Abgas entfällt, kann aber aus folgenden Gründen immer noch nicht voll befriedigen:

Das Treibstoff system ist kryogen und somit nicht lagerungsbeständig und nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand zu handhaben.

¹ Die Gewinnung des zur Kühlung der Treibgase und als zusätzliches Arbeitsmittel benötigten Wassers durch Meerwasserentsalzung erfordert eine zusätzliche, verhältnismäßig aufwendige Einrichtung.

Schließlich ist auch der als Abgaskondensator vorgesehene Wärmetauscher ziemlich aufwendig, hinsichtlich der Betriebsbedingungen nicht genügend flexibel und nicht kompakt genug.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Antriebssystem der vorstehend beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, das einerseits die Vorzüge dieses besten bekannten Antriebssystems mit Turbinenmotor gegenüber anderen bekannten Torpedoantrieben mit Nutzleistungsturbinen aufweist und andererseits trotzdem nicht mit dessen Mängeln behaftet ist.

Ausgehend von der überraschenden Erkenntnis, daß sogar schnellaufende und thermisch hochbelastete Nutzleistungsturbinen wiederholt mit aus einer wäßrigen, hochkonzentrierten Perchlorsäure- oder Hydroxylammoniumperchloratlösung als Oxydator und einem flüssigen Brennstoff auf Kohlenwasserstoff- und/oder Alkoholbasis in einem Gaserzeuger, in den nicht-entsalztes Meerwasser als Kühlmittel und zusätzliches Arbeitsmedium eingespritzt wird, erzeugten Treibgasen gefahren werden können, ohne daß Korrosions- oder mechanisch bedingte Schäden bzw. Betriebsstörungen auftreten, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem der eingangs bezeichneten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß seewasserbedrückte Tanks für den Brennstoff bzw. den Oxydator, ein mit einem an sich bekannten Brennstoff auf Kohlenwasserstoff- und/oder Alkoholbasis und einer als Oxydator ebenfalls an sich bekannten hochprozentigen wäßrigen Perchlorsäure- und/oder Hydroxylammoniumperchloratlösung als Oxydator gespeister Gaserzeuger mit Seewassereinspritzung und als der Nutzleistungsturbine nachgeschalteter Kühler ein Einspritzkondensator mit direkter Seewasserkühlung vorgesehen sind.

Die Auslegung des erfindungsgemäßen Antriebssystems zum Betrieb mit der vorstehend angegebenen speziellen Brennstoff-Oxydator-Kombination, die zwar als energiereiches, lagerungsbeständiges Treibstoffsystem für Unterwasserantriebe an sich bekannt war (US-PS 37 00 393), jedoch wegen der hohen Brenntemperatur und der Korrosivität der daraus entstehenden Treibgase für Antriebssysteme mit Turbinen als Brennkraftmaschinen für ungeeignet gehalten wurde, ermöglicht nicht nur, ohne von einem Marschtriebwerk abhängige, bordeigene, elektrolytische Meerwasserzerlegungs- und Gasverflüssigungsanlage auszukommen, die Betankung zu einem praktisch beliebigen Zeitpunkt vor dem Einsatz vorzunehmen und keine aufwendige Isolierung der Treibstofftanks und -zufuhreinrichtungen vorzusehen, die bei der Verwendung kryogener Treibstoffe _ erforderlich ist, sondern auch neuartige seewasserbedrückte Tanks für den Oxydator und den Brennstoff zu verwenden.

Durch die Verwendung solcher Tanks gelingt es, die Förderleistung der Treibstoffeinspritzeinrichtungen bei tauchtiefenbedingten Druckänderungen im Gaserzeuger auch ohne spezielle Regeleinrichtungen konstant zu halten. Anders gesagt ist bei den das Antriebssystem der Erfindung kennzeichnenden seewasserbedrückten Tanks der auf den darin befindlichen Treibstoffkomponenten lastende Druck zwangsläufig und unabhängig von der Tauchtiefe gleich dem Außendruck, der beim Ausstoßen der ganz oder teilweise kondensierten Turbinenabgase aus dem Einspritzkondensator überwundenwerden muß, so daß die Leistungsaufnahme der Treibstoffeinspritzpumpen nicht oder kaum ansteigt, wenn man den Druck im Gaserzeuger mit zunehmender Tauchtiefe so erhöht, daß die Druckdifferenz zwischen dem Gaserzeuger und dem Einspritzkondensator und damit das Expansionsverhältnis konstant gehalten wird, das die Leistungsabgabe der Nutzleistungsturbine bestimmt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgesehenen seewasserbedrückten gegenüber herkömmlichen Tanks ist die Gewichtsersparnis, die durch leichtere Tankwände erzielt wird, weil der auf den Tankwänden lastende Innendruck ebenso hoch ist wie der Außendruck.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebssystems ergibt sich auch daraus, daß ein Gaserzeuger vorgesehen ist, in den Seewasser statt entsalztem Meerwasser eingespritzt wird, wodurch die nach dem Stand der Technik erforderliche Meerwasserentsalzungsanlage entfällt und damit nicht nur eine Gewichts- und Raumbedarfsersparnis erzielt, sondern auch das Antriebssystem insgesamt vereinfacht und dadurch weniger störungsanfällig wird. Daß diese Vereinfachung möglich ist, steht im Widerspruch zur bisherigen Auffassung der Fachwelt, die in dem — wie erfindungsgemäß festgestellt wurde, unzutreffenden — Vorurteil befangen war, die bei der Verdampfung von Seewasser verbleibenden Salzrückstände würden bei thermisch und mechanisch hochbelasteten Turbinen zu korrosiven und mechanischen Schaden führen.

Schließlicht trägt auch die erfindungsgemäß vorgesehene Kühlung und Kondensation der Abgase durch direkten statt indirekten Wärmeaustausch mit Seewasser nicht unwesentlich dazu bei, daß das Antriebssystem der Erfindung selbst dem besten bislang bekannten Antriebssystem der hier in Rede stehenden Art weit überlegen ist, da die die Erfindung kennzeichnenden Einspritzkondensatoren einschließlich der dafür benötigten Einspritzeinrichtungen kompakter und leichter sind als Wärmetauscher mit gleich hoher Kühlwirkung und zudem über die pro Zeiteinheit eingespritzte Seewassermenge eine weitaus einfachere und flexiblere Regelung der den zu kühlenden Abgasen pro Zeiteinheit entzogenen Wärmemenge ermöglichen als Wärmetauscher, deren Kühlwirkung weitestgehend durch die ohne unvertretbaren Aufwand nicht veränderbare Wärmeaustauschfläche bestimmt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist beim Antriebssystem der Erfindung eine Rückführung von Wasser aus dem Einspritzkondensator zur Seewassereinspritzeinrichtung des Gaserzeugers vorgesehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Gaserzeuger- und/oder das Turbinengehäuse so ausgebildet und angeordnet, daß ihre

Außenwände von mit dem umgebenden Meer in Verbindung stehenden Seewasser umgeben bzw. -flössen ist, wodurch sie nicht nur gekühlt, sondern auch ständig allseitig mit einem dem Umgebungsdruck entsprechenden Außendruck beaufschlagt werden, so daß die effektive Druckbeanspruchung vermindert wird, wenn der Innendruck in Abhängigkeit von der Tauchtiefe so variiert wird, daß das Expansionsverhältnis konstant bleibt.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Ein schematisches Blockfließbild eines erfindungsgemäßen Antriebssystems, in dem zum Verständnis der Erfindung nicht erforderliche Teile, wie Ventile, weggelassen sind. Die Grundelemente des in der Zeichnung dargestellten erfindungsgemäßen Antriebssystems bilden je ein seewasserbedrückter Tank 1 bzw. 2 für den Brennstoff bzw. den Oxydator, ein Gaserzeuger 3, eine Nutzleistungsturbine 4 und ein Einspritzkondensator5.

Die Tanks 1 und 2 enthalten je eine zur Aufnahme von Brennstoff bzw. Oxydator bestimmte, mit Seewasser aus von einer mit Seewasser aus dem umgebenden Meer versorgten Seewasserhauptleitung 6 gespeisten See-Wasserzweigleitung 6a bzw. 66 bedrückbare flexible Blase la bzw. 2a. Solche Blasen könnten in Tanks für kryogene Treibstoffe nicht verwendet werden, weil alle ansonsten in Betracht kommenden Werkstoffe bei den extrem tiefen Temperaturen kryogener Treibstoffe verspröden.

Aus den Blasen la bzw. 2a wird durch Leitungen 7 bzw. 8 Brennstoff bzw. Oxydator abgezogen und mittels einer Brennstoffpumpe 9 bzw. einer Oxydatorpumpe 10 über Leitungen 11 bzw. 12 in den Gaserzeuger 3 eingespritzt. In die bei der Verbrennung des Treibstoffgemisches im Gaserzeuger 3 entwickelten heißen Treibgase wird Seewasser eingespritzt, das aus der Seewasserhauptleitung 6 durch eine Seewasserzweigleitung 6c zu einer ersten Seewasserpumpe 13 fließt und von dieser durch eine erste Seewassereinspritzleitung 6d in den Gaserzeuger 3 eingespeist wird. Die im Gaserzeuger 3 erzeugten, vorwiegend aus Wasserdampf und Kohlendioxyd bestehenden Treibgase fließen durch eine Leitung 14 zur Nutzleistungsturbine 4. Das die Nutzleistungsturbine 4 verlassende Abgas wird durch eine Abgasleitung 15 in den Einspritzkondensator 5 eingespeist, in dem es zumindest teilweise durch eingespritztes Seewasser kondensiert wird, das dem Einspritzkondensator 3 aus der Seewasserhauptleitung 6 über eine weitere Seewasserzweigleitung 6e, eine zweite Seewasserpumpe 16 und eine zweite Seewassereinspritzleitung 6/zugeführt wird. Das im Einspritzkondensator 5 gebildete Kondensat wird zusammen mit dem eingespritzten Seewasser und gegebenenfalls nicht kondensierten Teilen des Abgases durch eine Leitung 17 in das umgebende Meerwasser ausgestoßen.
' Die Nutzleistungsturbine 4 treibt über eine Welle 18 und ein Getriebe 19 nicht nur eine Antriebswelle 20, sondern auch die Pumpen 9,10,13 und 16 an.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

- Leerseite -

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Antriebssystem für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere Torpedos, mit einem mit luftsauerstoffunabhängigen, energiereichen Zweikomponenten-Treibstoff aus je einem Tank für flüssigen Brennstoff und flüssigen Oxydator gespeisten Gaserzeuger, dessen Treibgase eine ein- oder mehrstufige Nutzleistungsturbine beaufschlagen, mit Einspritzung von als Kühl- und zusätzliches Arbeitsmittel dienendem Wasser in die heißen Treibgase vor der Nutzleistungsturbine und mit einem von dem die Nutzleistungsturbine verlassenden noch heißen Abgas durchströmten Kühler, in dem das Abgas vor dem Austritt in das umgebende Wasser zumindest teilweise kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß seewasserbedrückte Tanks (1 bzw. 2) für den Brennstoff bzw. den Oxydator, ein mit einem an sich bekannten Brennstoff auf Kohlenwasserstoff- und/oder AJkoholbasis und einer als Oxydator ebenfalls an sich bekannten hochprozentigen wäßrigen Perchlorsäure- und/oder Hydroxylammoniumchloratlösung als Oxydator gespeister Gaserzeuger (3) mit Seewassereinspritzung und als der Nutzleistungsturbine (4) nachgeschalteter Kühler ein Einspritzkondensator (5) mit direkter Seewasserkühlung vorgesehen sind.