DE2543873A1

DE2543873A1 - Verstellbarer einstroemkanal fuer wasserstrahlgetriebene schiffe

Info

Publication number: DE2543873A1
Application number: DE19752543873
Authority: DE
Inventors: Peter Van Dyke; Robert John Etter; Jun Virgil Evans Johnson; Horton William Lain; Larry Kenneth Stephens
Original assignee: HYDRONAUTICS; Hydronautics Inc
Current assignee: HYDRONAUTICS; Hydronautics Inc
Priority date: 1974-10-01
Filing date: 1975-10-01
Publication date: 1976-04-22
Also published as: GB1508339A; FR2286752A1; JPS5985799U; CA1042275A; IT1042970B; JPS5160389A; FR2286752B1; CH602411A5; US3942463A

Description

Hydronautics, Incorporated,
Howard County, Laurel, Maryland (V. St. A.)

Verstellbarer Einströmkanal für wasserstrahl-getriebene Schiffe

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wasserstrahl-Antriebe für Schiffe und insbesondere auf ein Einströmsystem mit einem durch ein bewegliches Leitorgan veränderlichen Einlaßquerschnitt des Einströmkanals

Bei einem Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahlsystem stellt neben der Pumpe selbst der Einlaß zur Pumpe den anfälligsten und kritischsten Bauteil dar, weil er bei Schiffgeschwindigkeit und häufig in einem ungleichmäßigen Geschwindigkeitsbereich arbeitet und dadurch gegen Kavitation oder Ventilation anfällig ist. Darüber hinaus wird die Wirksamkeit des Wasserstrahls noch durch den Einlaßwiderstand des Systems und innere Verluste oder Energierückgewinnung beeinflußt. Die Pumpenkavitation hängt in hohem Maße von dieser Energierückgewinnung und der Auslaß-Geschwindigkeitsverteilung des Ein-

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lasses ab. Durch übergroße Gierwinkel verursachte Kavitation und innere Ventilation des Einlasses kann zu einer Herabsetzung der Pumpen- und Wasserstrahlleistung führen, wobei die Kavitation noch aerosive Zerstörungen hervorrufen kann.

Es gibt grundsätzlich zwei Typen von Einlaßsystemen für Wasserstrahl-Propulsions-Systeme, den eingezogenen und im wesentlichen rumpfglatten Typ und den Gondel-Streben oder Staueinlaß. Streben- oder Staueinlässe haben gewöhnlich ihre Einlaßöffnung vom Schiffsrumpf entfernt an einer Strebe angeordnet und sind für Tragflächenboote geeignet. Die rumpfglatten Einlasse haben die Einlaßöffnung am oder in den Schiffsrumpf eingesenkt und werden gegenwärtig für Gleitboote bevorzugt.

Bei den meisten für hohe Geschwindigkeiten ausgelegten Schiffen, wie Gleitboote und Tragflügelboote, bestehen erhebliche Differenzen in den Einströmwinkeln und dem Einlaß-Geschwindigkeits-Verhältnis (IVR = mittlere Einlaßgeschwindigkeit geteilt durch Schiffsgeschwindigkeit) bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten, wenn feste in ihrer Geometrie unverstellbare Einlasse verwendet werden. Zur Erzielung eines kavitationsfreien Betriebes bei diesen sich weit ändernden Einströmwinkeln sind große Radien und Dicken der Leitkanten oder der Lippen erforderlich, die erhebliche Strömungsverluste verursachen. Wenn der Einlaßbereich so geändert werden könnte, daß das Einström-Geschwindigkeits-Verhältnis (IVR) über den Fahrgeschwindigkeitsbereich konstant bleibt, dann würde auch der "Angriffswinkel" an der Lippe konstant bleiben und der Kantenradius der Lippe könnte dadurch kleiner werden. Zur Veränderung des Einlaßbereiches derartiger rumpfglatter Strömungs-Einlässe gibt es zwei praktische Wege, nämlich entweder die Lippe oder aber das Einlauf-Leitorgan beweglich auszuführen.

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verstellbaren Einlaß für wasserstrahl-getriebene Schiffe mit einem veränderlichen Einströmquerschnitt zu schaffen, der insbesondere für Wasserstrahl-Propulsions-Systeme über einen weiten Bereich der Schiffsgeschwindigkeiten geeignet und wirksam ist, der bei allen Geschwindigkeiten und Angriffswinkeln einen reduzierten Widerstand aufweist, dessen Ausführung die Verwendung eines Druckmindersystems ermöglicht, der beträchtliche Gierwinkel ohne Ventilation der Kavitation toleriert und äußerst geringe Einlaßverluste, Kavitation und innere Ventilation bei maximaler Energierückgewinnung Wasserstrahlleistung ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine bewegliche Rampe (Einströmorgan) gelöst, die glatt mit der Grundlinie des Schiffsrumpfes verläuft, sich in den Einströmkanal erstreckt und eine Änderung des Einlaßbereiches bzw. Einströmquerschnittes 3es Wasserstrahl-Antriebssystems ermöglicht. Bei liesem weitgehend rumpfglatten Einlaß teilt die Lippe die Strömung des am Rumpf entlangfließenden Wassers, wobei das in den Einlaß gelangende Wasser stationär bleibt. Die flexible Rampenfläche wird durch einen Mechanismus von Kurbeln und Druckstangen getragen und bewegt, um den Einströmquerschnitt zwischen Platten bzw. Seitenplatten zu ändern. Die Verstellung der beweglichen Rampe kann vorteilhaft in Verbindung mit einem Druckmindersystem erfolgen, das einen höheren statischen Druck aus dem Diffusor zur Entlastung der Region hinter der Rampe erlaubt und dadurch die beim Einströmen hervorgerufene Druckbelastung mindert. Das Druckmindersystem verringert auch die zum Bewegen der Rampe von einer Betätigungseinrichtung aufzubringende Gesamtkraft. Ein Angrif:swinkel-Meßfühler an der Lippe kann die automatisch erfaßten Signale an die Betätigungseinrichtung weitergeben, um die Rampe je nach den Erfordernissen zu verstellen. Zum Erhalt optimaler Ergebnisse kann die Rampe jedoch auch von Hand verstellt werden.

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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Einströmkanal für ein Wasserstrahl-Antriebssystem mit einem als bewegliche Rampe ausgebildeten Leitorgan, das zur Veränderung des Einlaufquerschnittes bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten und Propulsionserscheinungen verstellbar ist. Bei diesem rumpfbündigen Einlaß (flush or semi-flush type inlet) ist die untere Lippe ortsfest, und eine obere als Fortsetzung der Schiffswand in der Kiellinie ausgebildete Rampe leitet die Strömung in den Einlaß. Wenn die Kiellinie zur Aufnahme des Einlasses ungeeignet ist, (z. B. bei einem großen Totwinkel) kann zur Erzielung einer geeigneten Geometrie des Schiffsrumpfes ein Vorsteven verwendet werden. Die Rampe ist flexibel, hat eine glatte Oberfläche und stützt sich an Winkelhebeln und Druckstangen ab, durch die die Rampenstellung verändert und der Einlaufquerschnitt eingestellt werden kann. Die Rampenposition oder der Einlaufquerschnitt kann von Hand oder automatisch entsprechend den Anforderungen der Geschwindigkeit und der Propulsion verstellt werden. Die Mittellinie des Kantenradius der Lippe fällt unter die normale Kiellinie (halbgeglätteter Einlaß), wobei geeignet geformte Platten zur Verhinderung von Einlaßkavitation oder -Ventilation beim Gieren vorgesehen sind. Ein "Druckmindersystem" kann zur Verringerung der statischen Druckunterschiede quer zur Rampe vorgesehen sein, um die Belastung auf die Rampenkonstruktion und die von einer Betätigungseinrichtung zum Bewegen der Rampe erforderliche Gesamtkraft zu verringern.

Im folgenden wird eine Ausführung der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Wasserstrahl-Propulsionssystem;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des verstellbaren Rampeneinlasses gemäß der Erfindung.

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In den beiden Figuren der Zeichnung sind für gleiche Teile jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. Das in Fig. 1 dargestellte Wasserstrahl-Antriebssystem 10 ist am Rumpf 12 im Bereich der Kiel- oder Grundlinie eines Schiffes od. dgl. angeordnet. Es enthält einen rumpfglatt eingezogenen Einströmkanal 14, der mit einem Teil der durch den Pfeil 16 gekennzeichneten Wasserströmung beaufschlagt ist. Dieser Einströmkanal 14 leitet das Wasser zu einer Pumpe 18, deren Antriebswelle 20 in Lagern 22 umläuft. Die Pumpe 18 beschleunigt das Wasser in einer Düse 24 zu einem Wasserstrahl von hoher Geschwindigkeit.

Im Bereich der Grundlinie bzw. des Kieles des Schiffsrumpfes 12 ist eine Lippe 26 befestigt, die den rückwärtigen Teil des Einlasses bildet und die die am Schiffskörper entlangströmende Wasserströmung teilt. Am vorderen Ende des Einlasses 14 befindet sich im Bereich der Rumpfkiellinie eine bewegliche Rampe 28, die mit einer gleichmäßigen Oberfläche in die Schiffs-Außenhaut 12 übergeht. Diese Rampe besteht aus einem ausreichend flexiblen dünnen Material, z. B. aus Stahl, Aluminium od. dgl., damit sie die erforderlichen und vorbestimmten Formen annehmen kann, die aus dynamischen Gründen und zum Ändern des Einströmquerschnittes gewählt werden. Die Schwierigkeiten bei der Erzielung von ausreichend großen Einström-Querschnittsänderungen sollten nicht unterschätzt werden, weil die erforderliche Querschnittsänderung einen Faktor von 4 bis 5 haben kann.

In Fig. 1 ist die im allgemeinen gewünschte Gestalt der beweglichen Rampe in zwei Extremstellungen dargestellt. Die ausgezogen gezeichnete Stellung entspricht einer kleinen öffnung für hohe Geschwindigkeiten, und die gestrichelte entspricht einer großen öffnungsweite für geringe Fahrgeschwindigkeiten. Die Rampe 28 ist abgedichtet zwischen Seitenplatten 15 beweglich, deren als strichpunktierte Linien gezeich-

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nete Kanten mit der Kiellinie der Schiffsaußenhaut 12 fluchten.

Die in Fig. 2 im einzelnen dargestellte Einströmrampe 28 besteht aus einer durchgehenden flexiblen Platte, deren vorderes Ende in die Außenwand 12 des Schiffsrumpfes im Bereich seiner Kiellinie übergeht. Sie stützt sich weitlich an Querrippen 30, am hinteren Ende an einem Gleitverbinder 32 und an den in Fig. 1 dargestellten Seitenplatten 15 ab. Die gewünschte Rampenform wird durch ein Hebelsystem erreicht, das an einem im Schiffsrumpf befestigten Rahmen 34 angeschlagen ist. Am Rahmen 34 sind eine Vielzahl von doppelten Hebelgruppen 36 angelenkt, die die auf die Querrippen einwirkenden Spannungen verringern und der Rampe 28 eine Querstabilität verleihen.

Bei diesem dargestellten Hebelsystem weist jede Hebelgruppe 36 fünf als Doppelplatten ausgebildete Tragglieder 38 auf, die am Rahmen 34 befestigt sind und an denen fünf auf Drehzapfen 42 zwischen den Hebelgruppen 36 angeordnete Winkelhebel 40 gelenkig angreifen. Jeder Winkelhebel 40 besitzt eine im wesentlichen dreieckige Form und ist an seinen Ecken mit einem oder zwei Druck-Zug-Stäben 44 verbunden, die jeweils zwei benachbarte Winkelhebel miteinander verbinden. Ein weiterer Druck-Zug-Stab 46 ist drehbar in der Mitte eines Spreizstabes 48 oder direkt an einer Rippe 30 der Rampe 28 befestigt. Ein Ende des Spreizstabes 48 ist drehbar direkt mit einer Versteifungsrippe 30 verbunden und das andere Ende über ein Hebelgelenk 50 mit der nächstfolgenden Rippe, um bei einer flexiblen Verformung der Rampe den Abstandsänderungen folgen zu können. Ein durch Doppelhebel geführter Schwingblock 52 am hinteren Ende der Rampe kann den Gesamtänderungen der Rampenlänge folgen.

Zum Bewegen bzw. Verstellen des Rampensystems ist einer der Kurbelwellendrehzapfen 42 drehfest an seiner Kurbelwelle

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festgelegt. Ein gegenüber diesem Drehzapfen 42 gegen Verdrehung gesicherter Kurbelarm 54 ist über eine Druckstange mit einer Betätigungsvorrichtung 56 verbunden, die die Kraft zum Verdrehen aller Drehzapfen 40 und dadurch zum Verstellen der Rampe liefert. Diese Betätigungsvorrichtung kann ein hydraulischer Druckzylinder oder eine Spindel sein.

Das Hebelsystem ist so ausgeführt, daß die Rampe 28 in einer jeweils zweckmäßigen Form in jeder Öffnungsstellung von der niedrigsten bis zur höchsten öffnungsweite sicher abgestützt ist, was durch die Auswahl verschiedener Drehstabpositionen, Kurbelwellen-Verdrehwinkel und Zugstangen-Längen erreicht wird.

Bei der dargestellten Ausführung sind acht Abstützpunkte vorgesehen. Den ersten bildet die Befestigung des an der Kiellinie des Schiffes in die Schiffswandung glatt und gleichmäßig übergehenden Rampenendes. Die nächstfolgenden drei Abstützpunkte bilden die an der Rampe angreifenden und befestigten Spreizrippen 30, die sie in einzelne Felder teilen. Der fünfte Abstützpunkt befindet sich oberhalb der Lippe 26 und ist direkt mit der Rampe zur Erzielung einer genauen Positionierung in diesem kritischen Bereich befestigt. Nach diesem erfolgt eine weitere Abstützung mittels einer Spreizrippe und danach durch den Schwingblock 52, der eine Winkelbewegung der Rampenplatte begrenzt. Die letzte Abstützung bildet der Gleitverbinder 32, der glatt in das hintere Ende des Einströmkanals 14 übergeht.

Ein besonderes Merkmal des Einströmsystems, das manchmal notwendig sein kann, um eine einfachere bauliche Ausführung der Rampe 28 bei Erhalt der erforderlichen Flexibilität zu erhalten, ist ein "Druck-Minder-Systern", in dem ein unter einem hohen statischen Druck stehendes Fluid aus dem Diffusor-Strömungskanal 14 quer zur Rampe "entlüftet" wird. Der Ent-

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lüftungskanal kann eine Durchströmöffnung, eine Leitung oder ein Ventil in der Rampe oder eine Aussparung 70 im Rampenrand sein. Dieses Druckmindersystem verringert auch die notwendige Gesamtkraft der Betätigungseinrichtung 56.

Eine die Kraft zur Verstellung der Rampenposition liefernde Betätigungseinrichtung 56 kann von Hand oder automatisch durch einen Meßfühler 60 für den Angriffswinkel in der Leitkante der Lippe 26 gesteuert werden. Bei dieser bevorzugten selbsttätigen Ausführung enthält der Meßfühler Drucköffnungen 62 in der oberen und unteren Fläche der Lippe, um den durch verschiedene Angriffswinkel verursachten statischen Druckunterschied zu erfassen. Dieser statische Differenzdruck betätigt einen Druckschalter 64, der ein elektrisches Signal erzeugt. Über Leitungen 66 gelangt dieses Signal zu einem Servoventil 68, das hydraulisch mit der Betätigungseinrichtung 56 verbunden ist. Im Betrieb wirkt die Einströmlippe wie die Ausströmkante eines Flügels, dessen Arbeits-Angriffswinkel eine sehr hohe Funktion des Einlaß-Geschwindigkeits-Verhältnisses (IVR) ist. Daher wird die Rampe immer dann bewegt, wenn der Angriffswinkel an der Lippe von dem gewünschten, einem kavitationsfreien IVR entsprechenden Winkel abweicht. Das durch die Differenzdruckmeßfühler erzeugte Signal ist konditioniert und wird zur Betätigung des Differenzdruckschalters 64 verwendet, der als Grenzschalter oder Grenzbereichsschalter wirkt. Wenn das Drucksignal zulässige Grenzwerte überschreitet, bewirkt der zum Servoventil 68 geleitete elektrische Impuls eine Aussteuerung der Betätigungseinrichtung 56, um die Rampe 28 in eine solche Position zu verstellen, in der das Differenzdruck-Steuersignal in den zulässigen Bereich zurückkehrt.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre sind verschiedene Modifikationen und Änderungen der vorstehend beschriebenen Merkmale möglich, so daß auch andere spezifische Ausführungen mit von dem durch die Ansprüche definierten Schutzbereich fallen.

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Claims

Ansprüche

I 1./Verstellbarer Einströmkanal für ein Wasserstrahl-Antrrekfssystem von insbesondere Schiffen, der in der Grundbzw. Kiellinie des Schiffsrumpfes angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine ortsfeste, angeströmte Lippe (26) im rückwärtigen Teil der Einlauföffnung, die mit der Kiellinie des Schiffsrumpfes (12) annähernd fluchtet und Wasser in den Einströmkanal (14) leitet, ein bewegliches, als flexible Rampe (28) ausgebildetes Leitorgan als obere Kanalbegrenzung am vorderen Endteil des Einlaufs, das glatt in die Kiellinie des Schiffsrumpfes (12) übergeht, und durch eine Einrichtung (36 - 56) zum Einstellen des Einlaufquerschnittes durch Verstellen der Rampe (28) gegenüber der Lippe (14).
2. Einströmkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampe (28) eine flexible, durchgehende Platte ist, deren vorderes Ende in die Kiellinie des Schiffsrumpfes glatt übergeht, und daß die Einrichtung (36 - 56) zum Bewegen der Rampe (28) ein Hebelsystem (36) enthält, das zwischen dem Schiffskörper und der flexiblen Platte (28) angeordnet ist und eine Vielzahl von beweglichen Abstützpunkten für die Rampe bildet.
3. Einströmkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (36 - 56) einen im Schiffskörper befestigten Rahmen (34) zur Halterung des Hebelsystems (36) enthält, daß an der flexiblen Platte (28) mehrere Querrippen (30) befestigt sind, an denen Zug- und Druckstangen (46) gelenkig angreifen, und daß mehrere Winkelhebel (40) drehbar zwischen diesen Zug- und Druckstangen (46) und dem Rahmen (34) gelenkig gehalten sind, wobei durch Verdrehung

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der Winkelhebel (40) über das Hebelsystem (46, 30) die Rampe in die gewünschte Position verstellbar ist.
4. Einströmkanal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rahmen (34) und den Winkelhebeln (40) eine hydraulische Betätigungsvorrichtung (56) zum Bewegen des Hebelsystems vorgesehen ist.
5. Einströmkanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lippe (26) ein¹mit der Betätigungsvorrichtung (56) gekoppelter Meßfühler (60) zum Erfassen des Ausström-Angriffswinkels vorgesehen ist.
6. Einströmkanal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (60) eine Anzahl von Drucköffnungen (62) an der oberen und der unteren Fläche der Lippe (26) aufweist, die hydraulisch mit einem Differenzdruckschalter (64) verbunden sind, und daß ein Servoventil (68) zwischen der Betätigungseinrichtung (56) und dem Differenzdruckschalter (64) vorgesehen ist.
7. Einströmkanal nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Druckentlastung (70) in der Rampe (28) zum Ausgleich der Drücke an beiden Seiten der Rampe und zur Verminderung der Stellkraft der Betätigungseinrichtung (56).
8. Einströmkanal nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Seitenplatten (15) an jeder Seite des Einlasses vorgesehen sind, die zur Verhinderung von Kavitation und Ventilation beim Gieren entsprechend ausgebildet sind.

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