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Thermodynamischer Unterwasserantrieb
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Die Erfindung bezieht sich auf einen thermodynamischen Unterwasserantrieb
mit einer an ein Treibstoffzufuhrsystem angeschlossenen, einen Propeller antreibenden,
außenluftunabhängigen Kraftmaschine, die eine die wasserlöslichen Abgase ins Außenwasser
abführende Auspuffleitung aufweist.
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Bei bekannten Unterwasserantrieben dieser Art (US-PSn 2 975 746 und
3 527 050), die sich gegenüber elektrischen Unterwasserantrieben vor allem durch
eine höhere Reichweite auszeichnen, werden die Abgase abströmseitig der Kraftmaschine
entweder unmittelbar oder nach Passieren eines außenwasserdurchströmten Kondensators
über eie seitlich am Bootskörper angeordnete Auspufföffnung in die ungestörte Wasserströmung
ausgebla'sen.
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Dies führt jedoch zu einer erheblichen Geräusch- Blasen - und sonstigen
Spurbildung, so daß trotz der Wasserlöslichkeit der Abgase die Gefahr besteht, daß
das Unterwasserfahrzeug geortet und evtl. die Funktionsfähigkeit bordeigener Ortungsgeräte
gestört wird.
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Ferner ist es bei einem turbinengetriebenen Torpedo bekannt (DT-PS
649 435), die Turbinenabgase zunächst in einer aus einem Diffusor, einer Zerstäuberkammer
und einem Rührwerk bestehenden Mischvorrichtung mit von außen angesaugtem, in die
Zerstäuberkammer eingespruhtem Außenwasser zu vermischen und das so gebildete Gas-Wassergemisch
anschließend seitlich am Bootskörper in die Wasser strömung austreten zu lassen.
Diese Maßnahme erfordert jedoch einen hohen Beistungs- und vor allem Bauaufwand,
der sich insbesondere bei Antrieben kleinerer Leistung, etwa bei Verwendung in einem
Fahrgerät für Taucher, nachteilig auswirkt, und außerdem läßt sich naturgemäß nur
eine begrenzte Wassermenge in vernebelter Form in die Zerstäuberkammer einspritzen,
so daß lediglich ein verhältnismäßig geringer Teil der Auspuffgase noch innerhalb
des Unterwasserfahrzeugs in Lösung übergeht, der weitaus größere Teil jedoch wiederum
unter Geräusch- und Blasenbildung gasförmig in die freie Wasserströmung austritt.
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Demgegenüber soll erfindungsgemäß ein thermodynamischer Unterwasserantrieb
der eingangs erwähnten Art geschaffen werden, der weitgehend geräusch- und spurfrei
arbut et und bei geringem Baugewicht und -aufwand eine hochwirksame Abgasbeseitigung
garantiert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Unterwasseran-
trieb
der beanspruchten Gattung gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Auspuffleitung
abströmseitig des Propellers in ein diesen ummantelndes Schubrohr mündet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Unterwasserantrieb werden di'e Abgase unmittelbar
abströmseitig des Propellers mit dem gesamten, von diesem durch das Schubrohr geförderten
Wasserstrom vermischt und unter der abschirmenden Wirkung des Schubrohrs noch weitgehend
vor Erreichen des Schubrohrendes kondensiert bzw. in Lösung gebracht. Die Propeller-Schubrohranordnung
dient somit nicht nur zum Vortrieb, sondern wird zugleich auch zur hochgradig geräusch-und
spurarmen Zumischung der Abgase in das Außenwasser ausgenutzt, ohne daß es besonderer,
baulich aufwenziger Misch- oder Rührwerke bedarf. Der erfindungsgemäße Antrieb eignet
sich daher in hervorragender Weise für Anwendungsfälle, wo eine gedrängte, einfache
Bauweise, ein niedriges Baugewicht und eine weitgehend spurfreie Abgasbeseitigung
mit geringem Leistungsbedarf gefordert werden, also etwa zum Antrieb eines Fahrgerätes
für Taucher.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht das
Schubrohr aus einem Einlaufdiffusor, einem den Propeller umschließenden, im wesentlichen
zylindrischen Mantelabschnitt und einer an diesen anschließenden Schubdüse und der
Auslaß der Auspuffleitung ist hinter dem Propeller im zylindrischen Mantelabschnitt
angeordnet, wodurch neben einem hohen Wirkungsgrad des Schubrohres auch eine verbesserte
Gas-Wasserdurchmischung auf der Wirbelstrecke zwischen dem Propeller und dem Schubdüsenauslaß
erreicht wird.
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Zweckmäßigerweise ist ferner die Auspuffleitung auslaßseitig an eine
oder mehrere, das Schubrohr gitter- oder rostartig durclisetzende Rohrlagen mit
einer Vielzahl von in Rohrlängsrichtung verteilten, düsenförmigen Gasaustrittsofnungen
an-
geschlossen. Die Rohrlagen wirken nach Ar-t eines Turbulenzgitters
und garantieren eine noch innigere Durchmischung der fein verteilten Gasbläschen
mit dem vom Propeller geförderten Wasserstrom. Im Hinblick auf eine höhere Geräuscharmut
empfiehlt es sich, daß das Schubrohr mit einer schalldämmenden Verkleidung versehen
ist.
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Um unter Verzicht auf zusätzliche Wasserpumpen das Druckgefälle des
aus dem Propeller und dem Schubrohr bestehenden Wasserstrahlantriebs selbst zum
Betrieb eines der Kraftmaschine zugeordneten Kühlwasserkreislaufs auszunutzen, ist
in besonders bevorzugter Weise zur Wasserumwälzung des Kühlkreislaufs dessen Zulauföffnung
zwischen dem Propeller und dem Auslaß der Auspuffleitung und dessen Rücklauföffnung
anströmseitig des Propellers im Schubrohr angeordnet.
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Wenn in diesem Fall die Kraftmaschine aus einer an das Treibstoffzufuhrsystem
angeschlossenen'Brennkammer und einer dieser nachgeschalteten Expansionsmaschine
besteht, ist zweckmäßigerweise ein die Kraftmaschine zumindest im Bereich der Brennkamrner
umschließender, im Zuge des Kühlwasserkreislaufs /der angeordneter Kühlmantel vorgesehen,
nicht nur für einen Schutz vor thermischer Überhitzung sorgt, sondern auch die aus
dem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer resultierenden, hochfrequenten Schwingungen
im Hinblick auf eine weitere Schalldämmung wirksam nach außen abschirmt.
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Vorzugsweise ist die Kraftmaschine eine einer Brennkammer nachgeschaltete
Gleichdruck-Gasturbine mit einer SprüL.ühlung des Turbinenlaufrades durch aus dem
Kühlkreislauf abgezweigtes Kühlwasser. Gegenüber anderen Expansionsmaschinen hat
eine Gleichdruck-Gasturbine in Verbindung mit dem vom wZasserstrahlantrieb betriebenen
Kühlkreislauf den Vorteil, daß der Druck einlaßseitig des Turbinenlaufrades unabhängig
von der Tauchtiefe des Unterwasserfahrzeugs nur geringfügig über dem Qußendruck
liegt und daher zum Schutz der Laufradbeschaufelung
vor thermischer
Uberhitzung keine Hochleistungs-Wasserpumpe erforderlich ist, sondern der vergleichsweise
geringe Uberdruck, der vom Wasserstrahlantrieb für das Kühlwass:rsystem geliefert
wird, zur Sprühkühlung des Turbinenlaufrades ausreicht. Eine hinsichtlich der Sprilliwasserkühlung
des Turbinenlaufrades besonders zweckmäßige Bauweise besteht darin, daß die Gasturbine
teilbeaufschlagt ist und die I(uhlwassersprühdüsen in Umfangsrichtung versetzt zum
Gasdurchtrittsbereich des Turbinenlaufrades angeordnet sind. Diese Bauweise empfiehlt
sich vor allem bei Kleinantrieben, etwa für Tauchgeräte, wegen der dort geforderten
geringen Antriebsleistung der Gasturbine.
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Für den spurfreien Betrieb des erfindungsgemäßen Antriebs ist die
richtige Treibstoffwahl von besonderer Bedeutung. Die Treibstoffe bzw. deren Verbrennungsprodukte
sollen eine gute Wasserlösliclilceit und eine geringe Korrosivität haben außerdem
sollen und ungiftig sein, und/die Treibstoffe ! sicher zu handhaben und in weitem
Temperaturbereich lagerfähig sein und eine gute Zündfähigkeit und nicht zu hohe
Verbrennungstemperaturen aufweisen. Zweistoffsysteme erfordern getrennte Vorratsbehälter
für den Oxydator und den Brennstoff1 und während als Brennstoff zahlreiche Materialien
zur Verfügung stehen, kommt als Oxydator unter dem Gesichtspunkt der Lagerfäbigkeit
im geforderten Temperaturbereich und der Spurfreiheit, d.h. Wasserlöslichkeit der
AbgaseXpraktisch nur die Perchlorsäure bzw. ihre Derivate in Frage. Vorzugsweise
wird für den Antrieb jedoch ein Einstoffsystem gewählt und die in das Schubrohr
abgeführten Abgase sind die Verbrennungsprodukte einer monergolartigen Treibstoffmischung.
Während nämlich reine Monergole wegen der geringfügigen Wasserlöslichkeit ihre;
Verbrennungsprodukte nicht brauchbar sind, bieten aus einem Oxydator einerseits
und einem Brennstoff andererseits bestehende Mischungen mit Monergolcharakter, denen
zur Verbess-erung der Handhabungsfähigkeit noch Inhibitoren, z.B. Wasser zugesetzt
sind, eine gute Wasserlöslichkeit
ihrer Reaktionsprodukte, ihre
Verbrennungstemperatur liegt nicht zu hoch und von Vorteil sind ferner die problemlose
Beistungsregelung und die konstruktiv einfache Ausbildung des Treibstoffzufuhrsystems.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden,
beispielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt: Fig. 1
ein i'unktionsschema eines erfindungsgemäß ausgebileten, thermodynamischen Unterwasserantriebs;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt eines Rohrgitters zur Einleitung der Abgase in
das Schubrohr; Fig. 3 einen schematischen Schnitt einer teilbeaufschlagten G-leichdruck-Gasturbine
mit Sprühkühlung des Laufrades; Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt eines Tauchgerätes
mit einem erfindungsgemäßen Unterwasserantrieb; und Fig. 5 einen schematischen Schnitt
längs der Linie 5-5 der Fig. 4.
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Gemäß Fig. 1 enthält der thermodynamische Unterwasserantrieb einen
Preßluftbehälter 2, der über ein Druckminderventil 4 an einen Treibstofftank 6 angeschlossen
ist, welcher durch eine Kunststoffblase 8 in einen Druckluftraum 10 und einen Treibstoffraum
12 unterteilt ist. Im Dreibstoffraumlbefindet sich eine aus einem Oxydator und einem
Brennstoff bestehende Dreibstoffmischung mit Monergolcharakter, der ggf. noch
Inhibitoren
zugesetzt sind. Anstatt mit Druckluf-t kann der Treibstofftank 6 auch über eine
Hochdruckpumpe mit Wasser bedrückt werden.
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Vom Treibstofftank 6 wird der Treibstoff über eine Treibstoffleitung
14 einschl. eines Iieistungsregelventils 16 in eine Brennkammer 18 eingespritzt,
deren heiße Verbrennungsgase in einer Gleichdruck-Gasturbine 20 arbeitsleistend
entspannt werden. Die Gasturbine 20 treibt über ein nicht gezeigtes Getriebe einen
Wasserpropeller 22, der von einem aus einem Einlaufdiffusor 24, einem zylindrischen
Mantelabschnitt'26 und einer Schubdüse 28 bestehenden Schubrohr 30 ummantelt ist.
Die Turbinenabgase werden über eine in den zylindrischen Mantelabschnitt 26 des
Schubrohrs 30 mündende Auspuffleitung 32 in den vom Propeller 22 durch das Schubrohr
30 geförderten Wasserstrom ausgeblasen und noch innerhalb des Schubrohres 30 verwirbelt
und zur Kondensation bzw.
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Lösung gebracht.
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Die aus Breunkammer 18 und Gasturbine 20 bestehnde Antriebsmaschine
ist von einem Kühlmantel 34 umschlossen, der im Zuge eines Kühlwasserkreislaufs
36 liegt, dessen Wasserumwälzung durch den Propeller 22 selbst bewirkt wird. Zu
diesem Zweck ist die Zulauföffting 38 des Kühlwasserkreislaufs 36 unmittelbar abströmseitig
des Propellers 22, jedoch noch vor dem Austrittsbereich der Auspuffleitung 32 im
Schubrohr/angeordnet, während die Rücklauföffnung 40 des Kühlwasserkreislaufs 36
anströmseitig des Propellers 22 in das Schubrohr 30 mündet.
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Zum Anlassen des Antriebs wird das Regelventil 16 geöffnet und aus
einer Zündampulle 42 kurzzeitig ein hypergol mit dem 'i'reibstoff reagierendes Zündmittel
in die Brennkaramer 18 eingespritzt, bis der Reaktionsprozeß in der Brennkammer
18 selbs-ttätig abläuft. Anstelle der Zündampulle kann zur Zündung des Antriebs
auch eine batteriebetriebene GlühkerEe vorge-
sehen sein.
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Gemäß -Fig. 1 ist der Brennkammer 18 zwar eine Gleichdruck-Gasturbine
20 nachgeschaltet, jedoch lassen sich auch andere E;7K)ansionsmaschinen, beispielsweise
Schraubenexpander, Rootsexpander oder 'g1aurnelscheibernlotoren verwenden, und gewunschtenfalls
kann die aus Brennkammer 18 und Turbine 20 bestehende Antriebsmaschine auch durch
einen Kolbenmotor mit innerer Verbrennung ersetzt werden. Wegen des Fehlens aufeinander
gleitender und mithin korrosionsanfälliger Bauteile und der einfachen Kühlung der
den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzten Tffandflächen wird jedoch eine Gleichdruck-Gasturbine
bevorzugt.
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gemäß Fig. 2 ist die Auspuff~leitung 32 auslaßseitig über einen Ringkanal
44 an eine Reihe von in diesen mündenden, das Schubrohr 30 im Bereich seines zylindrischen
Mantelabschnitts 26 durchsetzenden, horizontalen bzw. vertikalen Rohren 46 bzw.
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48 angeschlossen, die jeweils mit einer Vielzahl von in Rohrlängsrichtung
verteilten Gasaustrittsöffnungen 50 versehen sind. Die Rohrlagen 46, 48 bilden ein
Turbulenzgitter für den vom Propeller 22 durch das Schubrohr 30 geförderten Wasserstrom,
so daß die über die Gasaustrittsöffnungen 50 ausgeblasenen Turbinenabgase abströmseitig
des Turbulenzgitters innig mit dem Wasserstrom verwirbelt und noch weitgehend innerhalb
des Schubrohres 30 kondensiert bzw. im Wasserstrom gelöst werden.
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In Fig. 3 ist schematisch die Sprühkühlung der Gleichdruck-Gasturbine
20 gezeigt. Die Turbine enthält den an die Brennkammer 18 angeschlossenen Leitapparat
52, der von dem Kühlmantel 34 umschlossen ist und im wesentlichen die gesamte Wärme-
und Druckenergie der Verbrennungsgase in Geschwindigkeit umwandelt, so daß in dem
Spalt zwischen dem Leitapparat 52 und dem Laufrad 54 im wesentlichen der gleichnDruck
wie abströmseitig des Laufrades 54 herrscht. Das Laufrad 54 ist
teilbeaufsclilagt,
d.h. nur ein Teil seiner AxialbeschauSelung 56 ist vom Leitapparat 52 mit den Verbrennungsgasen
angeströmt.
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Zur Kühlung der Axialbeschaufelung 56 sind Sprühdüsen 58 in Umfangsrichtung
versett zum Gasauslaßbereich des Isitapparates angeordnet, wobei die Sprühdüsen
58 über eine Zweigleitung 60 mit Kühlwasser aus dem Kühlmantel 34 versorgt werden.
Wegen des geringen Überdrucks am Laufradeintritt reicht der verhältnismäßig niedrige
Förderdruck, mit dem der Wasserkreislauf 36 bzw. der Kühimantel 34 durch die Propeller-Schub
rohranordnung 22, 30 betrieben wird, zur Wassereinspritzung über die Sprühdüsen
58 aus.
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In den Bign. 4 und 5 ist der erfindungsgemäße thermodynamische Unterwasserantrieb
in Verbindung mit einem Bohrgerät für Taucher schematisch im Längs- bzw. Querschnitt
dargestellt. Das Fahrgerät, dessen tragende Struktur aus Gewichtsgründen zweckmäßigerweise
aus Glasfaserverbundwerkstoff hergestellt ist, ist von dem zentralen Schubrohr 30
durchsetzt, an dessen Austrittsende horizontale bzw. vertikale Strahlruder 62 bzw.
64 zur Fahrtrichtungssteuerung schwenkbar angelenkt sind. Zur Stabilisierung um
die Längsachse sind zwei drehbare Stabilisierungsflossen 66 seitlich am Fahrgerät
angeordnet. Unterhalb des Schubrohres 30 liegen der Preßluftbehälter 2 und der Treibstofftank
6. Der Propeller 22 ist an einem über strömungsgünstige Profilstücke 68 koaxial
im Schubrohr 30 gehaltenen Zentralkörper 70 gelagert, in dem sich der Antriebsmotor,
also die Brennkammer 18 und die Gasturbine 20 gemäß Fig. 1, sowie ein zwischen Gasturbine
20 und Propeller 22 geschaltetes Untersetzungsgetriebe befinden.
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Die Turbinenabgase strömen über eines der Zentralstücke 68 zu dem
aus den Horizontal- und Vertikalrohrlagen 46, 48 bestehenden Turbulenzgitter. Zur
Trimmung des Gerätes sind beidseitig des Schubrohres 30 Ballastbehälter 72 angeordnet,
die etwa während der Fahrt zum Ausgleich der abnehmenden Treibstoffüllung des Tanks
6 zunehmend mit Wasser aus dem Kihlwasserkreislauf 36 gefüllt werden. Oberhalb der
Ballastbehälter 72 befinden sich Stauräume 74 für die Nutzlast.
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- Patentansprüche -