DE2524913A1 - Wasserstrahlantrieb fuer schnelle schiffe - Google Patents

Description

• WASSERSTRAHLANTRIEB FÜR SCHNElLE SCHIFFE Beschreibung: Beim konventionellen Schiffsvortrieb mit Schrauhe (Freipropeller als Schuherzeuger entnimmt diese den Treibstrom aus dem Fahrstrom. Der Treibstrom wird ohne Knderunq oder Ablenkung der Strömungsrichtung auf eine größere Geschwindigkeit beschleunigt. Das Produkt aus Treibstrommasse und Geschwindigkeitsdifferenz ergibt die Schubkraft, die im Beharrungszustand'd.h. bei konstanter Fahrgeschwindigkeit dem Fahrwiderstand des Schiffes entspricht.
• Die Kreisfläche des Propellers, sowie seine Umfangsgeschwindigkeit und Steigung seiner Schaufeln bestimmen die Größe des möglichen Treibstromes. Die Umfangsgeschwindigkeit am Außendurchmesser ist durch die Kavitationsgefahr begrenzt,d.h. aus dem Verhältnis des Haltedruckes der Pnlage = Fahrgeschwindigkeitshöhe + Tiefenlage der Schaufelspitzen unter Wasser + Luftdruck zu dem am Laufrad erforderlichen Haltedruck der der Umfangsgeschwindigkeitshöhe proportional ist.
• Bei Fahrgeschwindigkeiten über 30 Knoten - etwa 55 km/h -ist es sehr schwierig, den normalen Freipropeller mit der wegen des Schluckvermögens notwendigen großen Umfangsgeschwindigkeit kavitationsfrei zu betreiben. Mit anderen Worten: Die Fahrgeschwindigkeit würde über der technisch möglichen nxialgeschwindigkeit des Treibstromes im Propeller liegen. Der Propeller wirkt bremsend und verhindert eine Steigerung der Fahrgeschwindigkeit.
• Diese Schwierigkeit wird durch einen Wasserstrahlantrieb gemäß Fig 1 gelöst, in dem der Treibstrom mittels einer entsprechend bemessenen Eintrittdüse 1 am Schiffsboden 2 dem Fahrstrom entnommen und der im Schiffsinneren befindlichen Kreiselpumpe 3 verlustarm zugeführt wird. Die Eintrittdüse 1 steht praktisch senkrecht zum Fahrstrom und nutzt dessen Staudruck (Strömungsenergie) für den notwendigen hohen Haltedruck vor dem Laufrad 5 voll aus. Im Zulaufgehäuse 4,d.h. zwischen Eintrittdüse 1 und Laufrad 5 wird der Treibstrom auf die günstigste Axialgeschwindigkeit vor dem Laufrad verzögert, um dann über Laufrad 5 und Leitrad 6 sowie Austrittdüse 7 auf die hohe Oustrittsgeschwindigkeit für die Schuberzeugung beschleunigt zu werden.
• Das Bodenkanalschiff gemäß Deutscher Patentschrift DAS Nr. 1272 758 zeigt im Modellversuch als auch in der Großausführung einen relativ kleinen Fahrwiderstand und ist deshalb bei vertretbarem Leistr1ngsaufwand für hohe Fahrgeschwindigkeiten geeignet.
• Fig 2 zeigt die Ansicht auf Spiegelheck 8 mit dem in der Kielachse durchlaufenden 1längskanal 9 mit rechteckigem Querschnitt und die beiden bis zum Spiegelheck 8 verlängerten unten angesetzten Kästen 10 mit Einlaufdüsen 1. Diese ragen über den Spantquerschnitt hinaus und sind durch großes, festes Treibgut insbesondere aber bei Bodenberühung im flachen Fahrwasser gefährdet.
• Dies wird bei Anordnung der Eintrittdüse mit Zulaufgehäuse 4 gemäß Fig 3, 4 und 5 weitgehend vermieden.
• Vermutlich wird beim Fahrbetrieb an der Decke des Länqskanals Luft vom Bug zum Heck durchströmen. Im Bereich von Eintrittdüse und Zulaufgehäuse ist der Kanalquerschnitt etwas kleiner - die dadurch bewirkte größere Geschwindigkeit der Luft wird bei ihrer geringen Dichte den Fahrwiderstand nicht meßbar erhöhen - während der Wasserstrom im Längskanal überwiegend vom Schuberzeuger (Kreiselpumpe) als Treibstrom aufgenommen wird und durch die Austrittdüse das Schiff verläßt.
• Das Eindringen mittelgroßer Festkörper des 5'reibgutes in die Eintrittdüse 1 (Fangdüse) wird durch einen Shweiser 12 - in Fig 6 und Fig 1 verhindert.
• Er besteht aus einer Reihe von Spornen als Gitter mit strömungsgünstigem, widerstandsarmem Stabquerschnitt und lenkt frontal ankommendes Treibgut nach unten oder seitwärts nach hinten ab. Die Gitterseite - gemäß Kanalbreite im Lauf- u. Leitrad - und der Abstand zwischen Abweiserende 12 und Eintrittdüse 1 werden so abgestimmt, daß die Gitterströmung bis zur Eintrittdüse 1 wieder ausgeglichen ist.
• Beim ETasserstrahlantrieh-für hohe Fahrgeschwindigkeit optimal ausgelegt.. wird der volle Staudruck derselben zum Vergrößern des Haltedruckes vor dem Laufrad benutzt.
• Hierbei ergibt sich ein relativ niedriger Standschub, da für kavitationsfreien Betrieb nur der Luftdruck (Barometerstand) und die Tauchtiefe des Laufrades als Haltedruck der Anlage vorhanden ist.
• Die große Förderhöhe beim Standbetrieb (Ffahlzuaprobe) vermindert gemäß H-Q-Kennlinie des Laufrades den Förderstrom (Treibstrom) erheblich; so daß die Pumpe unter Teillast lauft, womit die Kavitationsgefahr steigt, weshalb die Pumpe mit bedeutend riedrigere Drehzahi aufen muß - was wiederum einen kleineren Standschub zur Folgte hat.
• Wenn man für den Standschub den gleichen Betriebspunkt erreicht wie beim Fahrbetrieb mit gleicher Drehzahl unter Beachtung des verfügbaren Haltedruckes ist bei dem wieder günstigeren Kavitationsverhalten des Laufrades der Standschub bedeutend größer. Das Kriterium liegt also in der Förderhöhe, bei der die Geschwindigkeitshöhe am Düsenaustritt vorherrscht. Durch Vergrößern des Düsenaustrittsquerschnittes im Standbetrieb sind optimale Verhältnisse erreichbar.
• Praktisch ausführbar ist der Querschnitt eines Kreisringes für die Fahrt und eines Vollkreises für den Stand - wobei optimal in beiden Betriebsfällen die Förderhohen und Förderströme (Treibströme) praktisch gleich sind -d.h. dieselben Betriebspunkte der Pumpe im H-O-Diagramm mit günstigerem Kavitationsverhalten vorliegen.
• Zwei Skizzen zeigen schematisch die Ausführung in beiden Betriebsfä ilen: Fig 7 für Standschub und langsame Fahrt Fig 8 für mittlere und hohe Fahrgeschwindigkeit In der Nabe des Leitrades 6 ist ein axial bewegbarer Kolben 13- hier doppeltwirkend in beiden Endlagen qezeichnet und durch die Anschlüsse 14 und 15 hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagt.
• Mit der Verstelldüse am Strahlaustritt können auch schnelle Schiffe gewisse Bugsier- u. Schleppaufgaben bei kleiner Fahrgeschwindigkeit übernehmen.
• Ferner ist es möglich, daß nach tTmkehr des Propellerdrehsinnes, z.B. über umsteuerbaren Antriehmotor 18 oder in entgegengesetzter Richtung gefördert und damit der gewünschte Rückwärtsschub erzeugt wird.
• Das druckseitige Leitrad bewirkt dabei einen gewissen Vordrall am neuen Laufradeintritt, wodurch in Verbindung mit den anomal angeströmten Laufradschaufeln der Wirkungsgrad kleiner als bei Vorwärtsfahrt wird. Dies ist für die kurze Betriebszeit der Rückws,rtsfahrt vertretbar und entspricht dem gewohnten Verhalten bei normalen Freipropellern mit Festschaufeln.
• Vergl. hierzu "Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft Bd. 62-1968 - S 228 -258." Aufsatz: Wasserstrahlantriebe für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge v. C. Kruppa, H. Brandt & C. Oestergaard.

Claims (11)

1. P A T E N T A N S P R U C EI E

   Wasserstrahlantrieb für schnelle Schiffe gekennzeichnet durch: 1. Eine Eintrittdiise4(Fangdüse) Fig 1 außerhalb des hinteren Schiffsrumpfes 11 zwecks voller Ausnutzung der Fahrstromenergie für den Haltedruck vor dem Laufrad 5 mit minimaler Kontraktion für den Treibstrom und kleineren Widerstand für den Fahrstrom.
2. 2. Wie vor, mit Eintrittebene - quer - bzw. senkrecht oder nahezu senkrecht zur Fahrströmuna -mit automatischer oder von Hand - abhängig von der Fahrgeschwindigkeit verstellbaren Eintrittsquerschnitt, dessen Bemessung bei der Auslegegeschwindigkeit einen unerwünschten Unterdruck (50g) zum evtl. Ansaugen von Treibgut vermeidet.
3. 3. Einen vor der Eintrittsdüse 1 am Schiffsrumpf 11 hefestigten Abweiser 12 zum Schutz vor Festkörpern und Treibgut,bestehend aus einem Gitter von senkrechten Spornen mit strömungsgünstigem Profil Fig 6 in Fahrtrichtung mit gewissem Abstand 18 zwischen Gitterende und Fangdüseneintritt zum Abklinaen der evtl. Störung beim Strömen des Wassers durch das Abweisergitter. Das Aufschwimmen von Treibgut im Zwischenraum 18 wird durch Horizontalstabe 19 verhindert.
4. 4. Einen Kasten 10 mit besagter Eintrittsclfise 1 von rechteckigem oder sonstigem geeignetem Querschnitt etwa mit der Breite der in der Patentschrift DAS 1272 758 unter Teil o und 7 sowie 5 und 8 dort aufgeführten Stahilisierungskörper am Schiffsrumpf his zum Spieael- bzw.

   Schiffsheck 8 durchgehend - Fig 2 - ohne daß sich die tragende Schiffsbodenflache ändert und der Fahrwiderstand merklich steigt.
5. 5. Eine verzögerte Zuströmung im Diffusor 4 vor dem Laufrad 5 über schlanken mittels in der Krtimmungsebene durchgehenden Führungswand 16 halbierten 5-förmigen Kanal - in der Horizontalebene 2 trennbaren Gehäuse, wobei der untere Teil 10 nur bei höherer Geschwindigkeit - aleich oder größer als 30 kn - ausgesetzt wird.
6. 6. Verbesserung der Längs- und Kursstabilität des Schiffes durch den oder die unten angesetzten Kalten oder Kästen 10 mit Einlaufdiise (n) 1.
7. 7. Wahlweisen Einbau der Eintrittdüsen 1 im mittleren Längskanal 9 - Fig 3,4 und 5 -, so daß der gesamte Schiffsvortrieb innerhalb der Ouerspantfläche liegt.

   Die Achsen der Pumpenwellen bZ>{. der Austrittdüsen 7 können auch zwischen den beiden gezeichneten Varianten liegen.
8. 8. Verstellbare Austrittdüse - Fig 7 und 8 - mit axial bewegbarem Kolben 13 in der Nabe des druckseitigen Leitrades 6, wodurch die Austrittdüse 7 einen vollen Kreisquerschnitt,wahlweise einen Kreisringquerschnitt erhält.
9. 9. Verstellbare Austrittdüse 7 gemäß Anspruch 8 mit axial bewegbarem, doppelt wirkendem Stufenkolben 13 - wie gezeichnet - wechselseitig mit flhssigem, wahlweise mit gasförmigem Druckmittel beaufschlagt - oder einfachwirkenden - einseitig beaufschlagten Kolben mit mechanischem Rückzug, z.B. Federn und cergleicnen.
10. 10. Verstellbare Austrittdüse 7 nach Anspruch 8, wobei der Kolben 13 ohne Dichtungen in beiden Richtungen vollmechanisch, z.B. über Spindel, Zahnstangen oder dergl. hewegt wird.
11. 11. Verstellbare Austrittdüse 7 nach Anspruch 8 bis 10 mit Schrägkragen 17 (Fig 7 und 8),um bei evtl.

    Umkehr der Förderrichtung die Eintrittkontraktion zu vermindern.

    Lee rs ei t e