DE2722084A1 - Vorrichtung zum vortrieb eines schiffes - Google Patents

Vorrichtung zum vortrieb eines schiffes

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DE2722084A1 DE19772722084 DE2722084A DE2722084A1 DE 2722084 A1 DE2722084 A1 DE 2722084A1 DE 19772722084 DE19772722084 DE 19772722084 DE 2722084 A DE2722084 A DE 2722084A DE 2722084 A1 DE2722084 A1 DE 2722084A1
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    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H2023/005Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements using a drive acting on the periphery of a rotating propulsive element, e.g. on a dented circumferential ring on a propeller, or a propeller acting as rotor of an electric motor

Description

  • Vorrichtung zum Vortrieb eines
  • Schiffes Der Wunsch, das Gewicht von Schiffen herabzusetzen, ist bekannt. Eine wesentliche Gewichtskomponente von propellergetriebenen Schiffen stellt das Untersetzungsgetriebe dar. Das Untersetzungsgetriebe ist auch mit hohen Produktions- und Wartungekosten verbunden. Die US Patente 1,805,597 und 2,298,869 sind auf Schiffsantriebssysteme gerichtet, bei denen das Untersetzungsgetriebe eliminiert ist und die Antriebsleistung fUr die Propeller direkt von dampfgetriebenen Turbinen erzeugt wird. Derartige Systeme sind zwar für gewisse Anwendungen brauchbar; sie sind jedoch schwerfällig und von geringem Wirkungsgrad und sind ferner durch die Forderung begrenzt, daß die dampfgetriebene Turbine an eine Arbeitsweise in enger Nachbarschaft zu den Propellerflügeln angepasst werden muß. Ferner wird die Propellerdrehzahl direkt von der Dampfturbine gesteuert, was eine weitere Quelle für das Entstehen eines schlechten Wirkungsgrades bedeutet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hydrodynamisches Kraftübertragungssystem für einen Schiffsantrieb zu schaffen, bei dem die Notwendigkeit für ein Untersetzungsgetriebe entfällt. Dabei eoll insbesondere die Antriebsmaschine entfernt von den Propellerflügeln angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Übertragungssystem soll insbesondere bei Unterseebooten und mit hoher Geschwindigkeit auf der Wasseroberfläche fahrenden Schiffen Anwendung finden.
  • Eine Vorrichtung zum Vortrieb eines Schiffes mittels des kombinierten Schubes einer Wasserdüse und eines durch hydrodynamische Übertragung angetriebenen Propellers ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch a. eine Antriebsmaschine innerhalb des Schiffes, b. eine von der Antriebsmaschine in Drehungen versetzte Axialströmungspumpe, c. eine Axialströmungsturbine mit mindestens einem drehbaren Teil, wobei die Turbine von der An-'triebsmaschine mechanischi frei ist und außerhalb des Schiffes nahe dessen Heck angeordnet ist, d. mindestens einen Propeller, der an dem genannten drehbaren Teil der Turbine angebracht ist und zusammen mit diesem rotiert, und e. ein Primärkanalsystem, das Wasser aus dem von dem Schiff durchfahrenen Bereich zu den Pumpe und von der Pumpe zu der Turbine leitet, wobei das Einlaßende des Kanalsystems nahe dem Heck des Schiffes angeordnet ist, um den Strömungswiderstand herabzusetzen, und wobei ferner die Turbine das von der Pumpe kommende Wasser zentrisch zu dem Propeller abgibt.
  • Bei der Erfindung können folgende Vorteile errecht werden: a. es wird die Notwendigkeit von Wärmetauschern zur Kühlung der ubertragungsflüssigkeit dadurch eliminiert, daß Meerwasser als übertragungsflässig keit in einem offenen System verwendet wird; b. die Turbinenausströmung wird zur Schuberzeugung ausgenutzt; c. es kann ein relativ einfacher Schubumkehrmechanismus verwendet werden; d. es kann eine Axialströmungspumpe hoher Drehzahl und kleiner Größe verwendet werden mit geringem Gewicht von Pumpe, Welle und Lagern und unter Geringhaltung der Kavitation; e. vorzugsweise wird eine mehrstufige Axialströmungeturbine verwendet; f. das Übertragungsverhältnis, d. h. die Propeller-'drehzahl bei konstanter Drehzahl der Antriebsmaschine, kann variiert werden durch Einstellen der Pumpenführungsschaufeln; g. der gewöhnliche Strömungswiderstand des Schiffskörpers wird herabgesetzt; und h. es wird ein Übertragungesystem geschaffen, das leicht als integrale Baueinheit verwirklicht werden kann, wobei die hydraulische Turbine innerhalb der Propellernabe untergebracht wird oder wobei der Propeller und die hydraulische Turbine eine gesonderte entfernbare Einheit darstellen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausftihrungebeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 das erfindungsgemäße hydrodynamische Übertragungssystem als Teil einer integralen Baueinheit zusammen mit dem Rumpf eines Unterseeboots; Figur 2 das erfindungsgemäße hydrodynamische Übertragungssystem, wobei der Propeller und die Turbine als gesonderte Einheit verwirklicht sind, die leicht von einem Unterseebootrumpf entfernbar ist; Figuren 3 und 4 den Schubumkehrmechanismus gemäß der Erfindung; Figur 5 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit gegenläufigen Propellern; Figur 6 eine Ausführungsform, bei der die erfindungsgemäße hydrodynamische Übertragung dazu verwendet werden kann, ein an der Oberfläche fahrendes Schiff anzutreiben; Figur 7 eine Ausführungsform, bei der eine Axialströmungspumpe dazu benutzt wird, eine Radialturbine zu treiben; Figur 8 eine Ausführungeform, bei der eine Axialturbine mit vertauschtem Innen- und Außenteil verwendet wird, wobei die Turbine einen etwas größeren Durchmesser hat als die Pumpe.
  • Das nachfolgend beschriebene System zum Vortrieb eines Schiffes besteht aus den folgenden Komponenten: 1. eine vorhandene Antriebsmaschine, wie etwa eine Dampfturbine, die die Antriebsleistung bereitstellt; 2. eine Pumpe, die direkt von der Antriebsmaschine angetrieben wird, und zwar vorzugsweise mit der Drehzahl der Welle der Antriebsmaschine, und die Meerwasser verwendet; 3. eine Wasserturbine, die von dem von der Pumpe auf erhöhten Druck gebrachten Wasser angetrieben wird; 4. ein üblicher Propeller, der von der Wasserturbine angetrieben wird; 5. ' Radial- und Drucklager; und 6. Tragrippen, ein Pumpen- und Turbinengehäuse und ein Schubumkehrmechanismus.
  • Die grundsätzliche Anordnung des Antriebssystems ist in Figur 1 dargestellt. Die gezeigte hydraulische Kraftübertragung verwendet Meerwasser als hydraulische Flüssigkeit und ist vom offenen Typ, wodurch ein Rezirkulieren und die dadurch notwendig gemachten Kuhlungsmaßnahmen vermieden werden. Antriebsenergie von der Antriebsmaschine 101, bei der es sich üblicherweise um eine Dampfturbine handeln wird, die jedoch auch aus jeder anderen üblichen Energiequelle bestehen kann, wird mittels einer Welle 103, die von einem Lager 102 getragen wird, auf die Axialpumpe 106 übertragen. Die Pumpe des Übertragungesysteme sollte im wesentlichen vom Axialströmungstyp sein, weil die hohe Drehzahl der Antriebsturbine eine Pumpe besonders hoher Drehzahl erfordert, und eine Axialströmungspumpe ist für diesen Zweck ideal geeignet. Diese Axialpumpe, die in dem Pumpen- und Turbinengehäuse 110 angeordnet ist, treibt wiederum die Laufradflügel 107. Meerwasser tritt in den Zwischenraum zwischen den Laufradflgeln 107 über einen konischen Kanal 108, der zwischen dem Schiffsrumpf 100 und dem Pumpen- und Turbinengehäuse 110 mittels einer Mehrzahl von zum Tragen und zum Führen dienenden Rippen 104 aufrechterhalten wird. Stromabwärte befinden sich ferner bewegbare Rippen 105. Das von der Axialpumpe 106 getriebene Meerwasser treibt eine mehrstufige Atialturbine, die stationäre Turbinenflügel 111 und rotierende Turbinenflügel 112 aufweist. Die genaue Anzahl von Stufen ist nicht kritisch und kann entsprechend den von der Pumpe erzeugten Druck- und Durchflußwerten variiert werden. Die erste und die letzte Turbinenstufe dienen gleichzeitig als Träger für den Propeller und die Nabe. Diese beiden Stufen sind sowohl mit der Propellernabe als auch mit den Lagern 114 und 115 ringsum die Propellerträgerwelle verbunden. Die Lager für die Einrichtung enthalten sowohl Rotationslager als auch Drucklager. Die Turbine, die mit der Propellernabe verbunden ist, zwingt den Propeller 130 eine Umdrehung auf, während das Meerwasser durch die Turbine geleitet wird. Der Vortrieb fur das Schiff wird im Ergebnis sowohl von dem Propeller als auch von dem von der Turbine ausgestoßenen Wasserstrahl geliefert. Bei der Anordnung von Figur 1 ist die Turbine mit der Propellernabe 120 verbunden, und die Propellerflügel sind mit der Nabe 120 verbunden. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zwar eine mehrstufige Atialströmungsturbine verwendet, wie in Figur 1 gezeigt wird; bei einigen Anwendungen kann es jedoch geboten und wünschenßwert sein, entweder eine einstufige Axialturbine oder, wie in Figur 7 gezeigt wird, eine Turbine vom Zentrifugal- oder Radialtyp zu verwenden, bei der die Turbinenausströmung radial nach außen durch die Propellerflügel hindurch erfolgt. Schließlich kann der Kanal 109 im Gehäuse 110 in Verbindung mit den bewegbaren Rippen 105 dazu verwendet werden, einen Schubumkehrmechanismus zu bilden, wie noch erörtert wird.
  • Die Ausführungsform von Figur 2 ist ähnlich der von Figur 1, außer daß die Turbinen- und Propelleranordnung eine gesonderte Einheit bildet, die leicht von dem' Schiffskörper entfernbar ist. Im übrigen arbeitet diese Ausführungsform im wesentlichen genauso wie die von Figur 1, und die Bezugszeichen sind entsprechend denen von Figur 1 gewählt.
  • Die Figuren 3 und 4 sind vergrößert, um den Schubumkehrmechanismus besser zu veranschaulichen. Man wird verstehen daß, wenn das Untersetzungsgetriebe entfernt ist und die Pumpe direkt mit der Antriebsmaschine verbunden ist, eine Umkehr der Pumprichtung keine Umkehr der Propellerumdrehung zur Folge hat. Dies beruht darauf, daß die Führungeflügel in der Pumpe und die Düsen in der Turbine keine wirksame Umkehr der Turbinenumdrehung gestatten. Eine Möglichkeit, eine Schubumkehr zu erhalten, besteht darin, daß Propellerflügel mit umkehrbarer Steigung verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in der Schiffsschraubennabe eine Rückwärtsschub-Wasserturbinenstufe vorzusehen. Pür die meisten Anwendungen kann jedoch der Rückwärtsschub einen wesentlich geringeren Wert haben, als der Vorwärtsschub. Daher kann ein relativ einfaches Umkehrsystem in der Weise aufgebaut sein, daß Verschlußrippen stromabwärts von der Pumpe angeordnet werden und bestimmte Rückwärtsschub-Öffnungen in der Pumpe und in dem Turbinengehäuse vorgesehen werden. Durch diese Anordnung wird in relativ einfacher Weise ein RUckwärtsschub von ungf. 20k oder mehr des Vorwärtsschubes erreicht. Das Prinzip dieser Anordnung ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Durch Schließen des normalen Ausströmweges des Pumpe wird deren Förderkapazität herabgesetzt bei gleichzeitigem Ansteigen des Druckes, wodurch ein wirksamen Strömungsausfluß durch die Umkehrdüsen oder dezf Umkehrkanal ermöglicht wird.
  • In Figur 3 sind die beweglichen Rippen 305 in ihrer Offen-Stellung, was dazu führt, daß der größte Teil des Neerwassers von der Pumpe 306 in die Axialturbine hineingepumpt wird. Der Umkehrkanal 109, der eine Querschnittsfläche von etwa einem Fünftel des Querschnitts des Ansaugkanals 308 hat, wird in dieser Stellung durch einen perforierten Ring 318 verschlossen. In Figur 4 befinden sich die bewegbaren Rippen 305 in ihrer Schließstellung. Wenn die bewegbaren Rippen 305 sich in ihrer Schließstellung befinden, dreht sich der Ring 318 in seine Offen-Stellung, wodurch die Ringperforationen mit entsprechenden Perforationen entlang der Innenwand des Gehäuses ausgerichtet werden.
  • Diese Anordnung hat zum Ergebnis, daß das gesamte Meerwasser von der Pumpe 306 durch den Kanal 309 herausgepumpt wird, wodurch dem Schiff ein Rückwärtsschub erteilt wird. Dieses Schubumkehrsystem macht es möglich, eine RUckwärtsturbine oder Wendegetriebe an Bord des Schiffes wegzulassen.
  • Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Gegenlaufpropelleranordnung. Die Erfindung, bei der nur eine einzige Welle 503 durch den Schiffsrumpf verläuft, kann in einfacher Weise dafür verwendet werden, durch relativ geringe Änderungen an der Turbine einen Gegenlaufpropeller aufzunehmen. Die Turbine hat dabei anstelle eines Stators und eines Rotors zwei Rotoren 518 und 519, die in einander entgegengesetzten Richtungen rotieren. Diese Anordnung erfordert einen zweiten Satz von Lagern 516 und 517 für den zweiten Propeller zusaätzlich zu den Lager 514 und 515 für den ersten Propeller. Ein solches System ist in der Hinsicht vorteilhaft, daß es die Anzahl von Turbinenstufen reduziert und in einfacher Weise eine gegenläufige Propellerumdrehung ermöglicht. Die gegenläufigen Propeller können von üblicher Bauart sein.
  • Bei einer Gegenlaufpropelleranordnung wird der größte Teil der Rotationsenergie, die normalerweise in der Schiffsspur verloren geht, wiedergewonnen. Für den selben gelieferten Schub hat sich ergeben, daß man gegenüber einer Anordnung mit einem einzigen Propeller um etwa 6,5% weniger Energie benötigt. Weitere Vorteile einer solchen Ausfhrungsform sind verbesserte Kavitations- und Vibrationseigenschaften, verringerte Propellerdurchmesser und Gesamtgewichts- und Gesamtkostenersparnisse hinsichtlich der Maschinenausstattung.
  • Bei einem üblichen Schiffsantriebasystem würde eine Gegenlaufpropelleranordnung komplizierte Getriebe in der Propellernabe, eine zur Antriebsmaschine führende Koaxialwelle und Dichtungeprobleme bedingen. Wenn die hydrodynamische Kraftübertragung gemäß der Erfindung mit einer Gegenlaufanordnung kombiniert wird, sind jedoch viele der üblichen Nachteile weniger schwerwiegend oder nicht existent. So gibt es keine Getriebeschwierigkeiten, weil bei der Kraftübertragung keine Getriebe verwendet werden sondern statt dessen eine durch eine Flüssigkeit bewirkte EraftUbertragung zwischen den Propellern und der Antriebsmaschine erfolgt. Koaxiale Wellen sind nicht erforderlich. Die üblichen Wellenabdichtungsprobleme ergeben sich ebenfalls nicht.
  • Der einzige mögliche Nachteil einer solchen kombinierteff Anordnung bestehend aus hydrodynamischer Eraftübertragung und gegenläufigen Propellern scheint darin zu liegen, daß zusätzliche Strukturen und Lager vorgesehen werden müssen. Wie jedoch noch erörtert wird, gestattet es die Erfindung, die externe Stoßbeanspruchung, wenn nötig, auf sehr geringe Werte einzustellen, um eine Anpassung an die Gegenlaufanordnung zu erreichen.
  • Figur 6 veranschaulicht, daß die hydrodynamische Kraftübertragung der vorliegenden Erfindung nicht nur bei Unterseebooten, sondern auch bei auf der Wasseroberfläche fahrenden Schiffen angewendet werden kann. In Figur 6 befinden sich die Pumpe, die Turbine und die Schraubenlagerung innerhalb eines einzigen Gehäuses 610, das an dem unteren Schiffsrumpfteil 650 eines an der Oberfläche fahrenden Schiffes mittels der Antriebswelle 603 und Tragstützen 652 und 654 angebracht ist. Die prinzipielle Beschränkung bei der Anwendung der Erfindung auf an der Oberfläche fahrende Schiffe besteht in der Erscheinung der Kavitation, wenn sich das Antriebssystem zu nahe an der Wasseroberfläche befindet und der Druck daher gering ist. Daher wird die Erfindung am besten auf solche auf der Wasseroberfläche fahrende Schiffe angewendet, die einen Tiefgang von mindestens 10,7 m (35 Fuß) haben, wie z.B. viele der neuen Supertanker, oder andererseits auf mit hoher Geschwindigkeit fahrende Schiffe, die durch die Vorwärtsbewegung den äquivalenten Druck erzeugen.
  • Dae an der Oberfläche fahrende Schiff bietet auch die Möglichkeit, die Pumpe ale integralen Bestandteil des Schiffes auszubilden, und in diesem Fall bilden nur die Turbine der hydraulischen Kraftübertragung und der Propeller externe Komponenten. In diesem Fall wird die VeMblndung zwischen der Pumpe innerhalb des Schiffes und -der Turbine außerhalb des Schiffes durch ein Rohr hergestellt, das Pumpe und Turbine miteinander verbindet; diese Ausführungsform ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.
  • Für eine hydraulische Kraitübertragung von 11 200 KW (15 000 horsepower) müßte ein solches Rohr einen Durchmesser von 61 bis 91 cm haben. Dieses Maß ist etwa gleich dem fUr gegenwärtig verwendete Wellen, die auf die obertragung der gleichen Leistung abgestimmt sind.
  • Figur 7 zeigt die Alternative, bei der eine Zentrifugal-oder Radialturbine verwendet wird. Um die radiale Waeserabgabe zu ermöglichen, ist es notwendig, hohle Propellerflügel mit offenen Enden vorzusehen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß Radialturbinen gut angepasst sind an die niedrigen Drehzahlen, die zum Antrieb des Propellers erforderlich sind. Andererseits ergibt sich bei dieser Anordnung eine Begrenzung der Durchflußmenge, die sowohl von der Turbine als auch von dem Propeller verarbeitet werden kann, und die Anordnung erfordert daher einen relativ höheren Druck, um eine gewünschte Antriebsleistung zu übertragen.
  • Figur 8 veranschaulicht eine andere Ausftlhrungsform einer Axialturbine, bei der die Bauart der Turbine mit "das Innere nach außen" gekennzeichnet werden kann, wobei die stationären Turbinen Flügel mit einer stationären Welle und die rotierenden Turbinenfltlgel an ihren äußeren Enden mit einer Trommel 822 verbunden sind. Der Propeller 830 ist an der rotierenden Trommel 822 fest angebracht. Bei dieser Ausftthrungsform ist ferner der Turbinendurchmesser etwas größer als der Pumpendurchmeser, was eine bevorzugte Maßnahme für viele Anwendungen darstellt.
  • Es wurde gefunden, daß eine hydrodynamische Antrieba-Ubertragung unter Verwendung einer Axialpumpe zusammen mit einer mehrstufigen Axialturbine zu uberraschend hohen Wirkungsgraden führt. Ferner kann die Einheit genügend klein gemacht werden, so daß die mehrstufige Turbine innerhalb der Nabe des Propellers untergebracht werden kann, was ein sehr geringes Gewicht zur Folge hat.
  • Obwohl die Anwendung einer mehrstufigen Axialpumpe bei der Benutzung der Erfindung förderlich ist, wird eine einzige Pumpstufe aus Gründen des geringen Gewichts und der Einfachheit vorgezogen. Die Pumpe muß ferner einen sehr hohen Wirkungsgrad haben, und dies erfordert eine Optimierung der spezifischen Drehzahl, der Wellendrehzahl und verschiedener Konstruktionsparameter. Die Pumpe muß kavitatianefrei arbeiten, und dies bedeutet Begrenzungen hinsichtlich der Druckwerte, der Strömungsgeschwindigkeiten, der Flügelform, der Pumpgeschwindigkeit und der Eingangsströmungsbedingungen. Die Druck-Durchfluß-Charakteristik der Pumpe muß auf die Turbinen-und Propellereigenschaften abgestimmt werden. Schließlich müssen die Pumpe und ihr Strömungseinlass in die Struktur des Schiffes integriert werden, und die Anordnung soll vorzugsweise so getroffen werden, daß die Turbine mit dem Propeller zu einer integralen Baustufe vereint ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Übertragung stellt die Hochgeschwindigkeitspumpe das kritische Element dar, weil dieses Element so konstruiert werden muß, daß es ohne Kavitation im gesamten Arbeitsbereich arbeitet. Wenn Wasser als Ubertragungsfiussigkeit verwendet wird, stellt die Kavitation den begrenzenden Faktor dar, wenn man die Maximalgeschwindigkeit sowohl der antreibenden Pumpe als auch des Propellers betrachtet. Im allgemeinen liegen die Maximalgeschwindigkeiten von Schiffsschrauben in der Größenordnung von 30 bis 60 m/sec, wobei die unteren Werte für geringere Leistung und die höheren Werte für höhere Leistung gelten.
  • Um eine hohe und kavitationsfreie Wellendrehzahl für die Pumpe zu ermöglichen, die direkt von der Antriebsturbine angetrieben wird, sollte die Pumpe sowohl mit Einlaßführungsrippen als auch mit Auslaßfahrungsrippen versehen werden, die zu einem ungf. symmetrischen Vectordiagramm führen, wodurch die Wassergeschwindigkeit relativ zu den Flügeln auf etwa die Hälfte der Werte herabgesetzt wird, die man sonst vorfinden würde. Ähnliche Führungsrippen werden üblicherweise bei anderen Anwendungen benutzt. Mit einer solchen Anordnung wird die Wassergeschwindigkeit auf den Flügeln der Pumpe innerhalb des Bereichs von Werten gehalten, der für Propeller sogar bei großen Werten der Leistungsübertragung Verwendung findet. Variable Einlaßfllhrungsrippen gestatten es, die hydraulische Energie der Pumpe auf die Drehzahl der Antriebsturbine und deren Leistung einzustellen.
  • Die erfindungsgemäße hydrodynamische Kraftübertragung erfordert ferner die Unterbringung einiger Drucklager außerhalb des Schiffskörpers. Bei den gegenwärtig üblichen Propellern wird die gesamte Drucklast des Propeller innerhalb des Schiffes von großen und schweren Drucklagern aufgenommen. Wenn die Kraftübertragung so ausgelegt wird, daß sie Spitzenbelastungen standhalten soll, führt dies zu einer wesentlichen Erhöhung des Gewichts und der Größe dieser Lager. Die erfindungsgemäße hydrodynamische Kraftübertragung führt zu einer Verringerung dieser Drucklasten, weil die bei der hydraulischen Übertragung beteiligte Flüssigkeit Kräfte auf die stationären Rippen der Pumpe und auf die Düsen der Turbine übertragen kann. Ferner gestattet die Erfindung eine Herabsetzung der Schubkräfte außerhalb des Schiffes durch Verwendung einer "Reaktions"-Turbine anstatt einer "Impuls"-Turbine. In anderen Worten wird, je nach dem Grad der "Reaktion" in der Turbine ein geringerer Teil dem Meerwasser von der Pumpe zugeführten Energie den Propellerflügeln zugeführt und ein größerer Energieanteil geht in eine direkte Vorschubkomponente über, da das Wasser aus dem Turbinenauslaß ausgestoßen wird. Bei riner solchen Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kraftübertragung würde sich also ergeben, daß die Ausstoßgeschwindigkeit zu dem Gesamtschub des Antriebssystems beiträgt. Diese Ausstoßgeschwindigkeit wird besonders dann, wenn sie nahe der Propellerausstoßgeschwindigkeit gewählt wird, eine erheblich verbesserte Geschwindigkeitsverteilung in der gesamten Spur des Propellers zur Folge haben. Es wird daher die Verwendung eines kleineren Propellers ermöglicht, der einen gegenüber den gegenwärtig benutzten Propellern höheren Wirkungsgrad hat.
  • Ein weiterer Vorteil der hydrodynamischen Kraftübertragung gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Sog der' Pumpe zur Folge hat, daß eine Grenzschicht am Achterende des Schiffsrumpfes entfernt wird, also genau an der Stelle, an der eine solche Grenzschichtentfernung von größtem Vorteil ist. Daher wird der Strömungswiderstand des gesamten Schiffes herabgesetzt im Vergleich zu üblichen Propellersystemen. Im Fall eines Unterseeboots arbeitet die Pumpe der hydraulischen Kraftübertragung in beträchtlichem Ausmaß in der Grenzschicht, und daher wird in diesem Fall der genannte Effekt besonders ausgeprägt. Die Grenzschichtabsaugung in die Pumpe verbessert sowohl den Vortriebwirkungsgrad als auch die Kavitationseigenschaften. Es werden daher hohe Vortrieb-Wirkungsgrade ermöglicht, da das Antriebssystem von der Energie Gebrauch macht, die in die Grenzschicht durch Hautreibung bezüglich eines absoluten Bezugssystems übertragen wird.
  • Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß sie die mechanische Entkopplung der Antriebsmaschine von den Propellern ermöglicht. Dadurch wird die Übertragung von Vibrationen und Stößen auf die Antriebsmaschine vermieden, und ebenso die Übertragung von Vibrationen und Störungen von der Antriebsmaschine auf die Propeller.
  • Der Hauptvorteil der Erfindung besteht jedoch darin, daß die beschriebene hydrodynamische Übertrapung eine wesentliche Gewichtsersparnis ermöglicht. Ferner verbessert die Erfindung auch die Gewichtsverteilung dadurch, daß das Gewicht am Heck des Schiffes herabgesetzt wird, was bei Unterseebooten besonders wichtig ist. Um das Ausmaß der durch die Erfindung erreichten Gewichtsersparnis zu veranschaulichen, wird nachstehend ein Beispiel angegeben.
  • Bei der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Übertragung stellen die Gewichte der Pumpe, der Wasserturbine und der jeweiligen Welle und des Gehäuses ein zusätzliches Gewicht dar. Das Gewicht des üblichen Untersetzungsgetriebes mit zugeordneten Lagern und das Gewicht der Propellerwelle stellen das gesparte Gewicht dar. Die Analyse der Größenordnung der Gewichtsersparnis wird gegeben, um die Vorteile der hydrodynamischen Übertragung verglichen mit den üblichen Untersetzungsgetrieben klarzustellen. Um einen solchen Vergleich durchzuführen, wird jedes Antriebssystem in einige wenige Hauptkomponenten unterteilt. Für diese Gewichtsanalyse wird die in Figur 8 gezeigte Struktur der Kraftübertragung verwendet.
  • Es wird angenommen, daß das Propellergewicht für die Fälle der hydrodynamischen Kraft übertragung und der Getriebeübertragung jeweils gleich ist. Bei dieser Analyse wird ferner angenommen, daß das Wellengewicht der hydrodynamischen Ubertragung von der Turbine zur Pumpe einschließlich aller Lager und Dichtungen gleich ist dem Wellengewicht der Getriebeübertragung außerhalb des Schiffskörpers. Daher ist die Getriebeübertragung um den Betrag des Wellengewichts innerhalb des Schiffskörpers schwerer, wobei für diesen Teil der Welle ein Durchmesser von 45,7 cm und eine Länge von 7,3 m zur Übertragung einer gegebenen Leistung angenommen wird.
  • Es bleibt noch die Betrachtung des Untersetzungsgetriebes selbst bei dem Standard system sowie des Gehäuses und der tragenden Struktur bei dem hydrodynamischen System. Das Gehäuse wird aufgrund seiner allgemeinen Form in Annäherung als Hohlzylinder von 1,22 m Außendurchmesser und 1,07 m Innendurchmesser und einer Länge von 1,52 m betrachtet. Dies ergibt ein Volumen von 1,67 m3. Es sind 14 Tragglieder vorgesehen, 7 vor der Pumpe und 7 nach derselben, mit einem Gesamtvolumen von 0,17 m3. Bei Aufbau des Gehäuses und der Tragglieder aus Titanlegierung ergeben sich Gewichte von 770 kg für das Gehäuse und 770 kg für die Tragglieder, was ein Gesamtgewicht von etwa 3160 kg für das Gehause und die Tragglieder aus Titanlegierung ergibt. Das Gewicht des Untersetzungsgetriebes für die betrachtete Leistung beträgt 63 500 kg.
  • Zu diesem Gewicht müssen die Lagereinrichtungen hinzuaddiert werden, von denen angenommen wird, daß sie zwischen ^5% und 30 des Getriebegewichts von etwa 18 140 kg betragen. Das zusätzliche Gewicht der innerhalb des Schiffskörpers befindlichen Welle wird auf 9070 kg geschätzt. Daher ist der Betrag der Gewichtsersparnis 90 720 kg verringert um das Gewicht des Pumpengehäuses von etwa 8160 kg. Die Gesamtersparnis ist daher 82 560 kg. Für Spitzenbelastungen wird jedoch die Getriebeübertragung ein Gewicht von mehr als 136 000 kg haben, während das Gewicht der hydrodynamischen Übertragung das gleiche bleibt, so daß die Gesamtgewichtsersparnis für diesen Fall weit mehr als das zweifache von 82 560, also mehr als 163 320 kg beträgt.
  • Die obige Analyse ist durchgeführt worden auf der Basis des Gesamtsgewichts in Luft. Jedoch ist das Gehäuse der hydrodynamischen Übertragung außerhalb des Schiffsrumpfs untergebracht, und daher wird der Auftrieb zu einem Faktor, der bei der Gewichtsanalyse zu betrachten ist. Das Untersetzungsgetriebe befindet sich innerhalb des Schiffsrumpfs und trägt daher selbst nicht zur Wasserverdrängung bei. Demzufolge erbringt die hydrodynamische Übertragung eine Gewichtsersparnis, die größer ist als die obigen Werte. Zusätzlich ist die hydrodynamische Übertragung auch vorteilhaft für die Ausbalancierung des Schiffes, weil die Gewichtsreduzierung nahe dem Achterende des Schiffes erfolgt. Man erhält also mit der hydrodynamischen Übertragung wesentliche Vorteile sowohl hinsichtlich der Bauweise des Schiffes als auch hinsichtlich der Gewichtsersparnis.
  • Zusammenfassend werden die Vorteile der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Übertragung gegenüber konventionellen Antriebssystemen wie folgt angegeben: a. Die Eliminierung des Untersetzungsgetriebes hat einerseits eine wesentliche Gewichtsersparnis an sich zur Folge und bedeutet andererseits für Unterseeboote eine Herabsetzung des lrimmballasts.
  • Der normalerweise von dem Getriebe erzeugte Lärm wird ebenfalls vermieden. Ferner wird der von dem Untersetzungsgetriebe normalerweise eingenommene Raum für andere Einrichtungen verfügbar.
  • b. Das Vorsehen des speziellen Umkehrmechanismus in dem neuen System eliminiert die Notwendigkeit von Umkehrstufen in der Dampfturbine oder in dem Untersetzungsgetriebe.
  • c. Die variablen Einlaß-Führungsrippen gestatten eine Einstellung der Propellerdrehzahl unabhängig von der Drehzahl der Antriebsmaschine, und daher können der Propeller und die Antriebsmaschine bei ihren jeweils wirksamsten Arbeitsbedingungen arbeiten.
  • d. Der Propeller und die Antriebsmaschine sind mechanisch nicht miteinander verbunden, wodurch eine zusätzliche Sicherheit erzielt wird für den Fall, daß der Propeller auf einen Gegenstand auftrifft. Die mechanische Trennung von Antrie.bsmaschine und Propeller verhindert auch die Übertragung von Schwingungen und Stößen auf die Antriebsmaschine und die tibertragung von Schwingungen und Lärm von der Antriebsmaschine auf den Propeller.
  • e. Die hydrodynamische Übertragung ergibt einen verbesserten Propellerwirkungsgrad und eine herabgesetzte Propellergröße aufgrund der wesentlichen Ausstoßgeschwindigkeit aus der Turbine. Dieser Ausstoß trägt zum Vorschub bei. Ferner ergibt das Einströmen von Wasser aufgrund des Sogs der Pumpe eine Grenzschichtentfernung von dem Schiffskörper, was eine Reduzierung des Strömungswiderstandes und damit eine Reduzierung des Energieverbrauchs mit sich bringt.
  • f. Die hydrodynamische Übertragung macht es relativ einfach, gegenläufige Propeller anzutreiben. Die hydrodynamische Übertragung mit gegenläufigen Propellern hat einen besseren Wirkungsgrad als bestehende Getriebesysteme und hydrodynamische Systeme mit einzelnen Propellern.
  • g. Die neue hydrodynamische Übertragung arbeitet mit hohem Wirkungsgrad über einen weiten Leistungsbereich.

Claims (11)

  1. ntansrUche Vorrichtung zum Vortrieb eines Schiffes mit einem durch hydrodynamische Übertragung angetriebenen Propeller, wobei eine Atialströmungspumpe und eine Axialstrbmungsturbine sowie eine innerhalb des Schiffes angeordnete Antriebsmaschine vorgesehen sind, dadurch gekennzeiohnet, daß die Axialströmungspumpe (106) von der Antriebsmaechine (101) angetrieben wird, daß die Asislströmungsturbine (111, 112) mechanisch von der Antriebsmaschine (101) frei ist und außerhalb des Schiffes nahe dessen Heck angebracht ist und mindestens einen drehbaren Teil (112) aufweist, daß mindestens ein Propeller (130) an dem drehbaren Turbinenteil (112) befestigt ist zwecks Rotation zusammen mit demselben, daß ein Primärkanalsystem (108) vorgesehen ist zum Einleiten von Wasser aus dem von dem Schiff durchfahrenen Wasser zu der Pumpe (106) un von der Pumpe (106) zu der Turbine (111, 112) und mit seinem Einlaßende nahe dem Heck des Schiffes angeordnet ist zwecks Herabsetzung des Strömungswiderstandes, und daß die Wasserabgabe von der Turbine (111, 112) zentrisch zu dem Propeller (130) erfolgt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehbare Welle (103) von der Antriebsmaschine (101) angetrieben wird und sich durch den Schiffsrumpf hindurch erstreckt, daß die Pumpe (106) außerhalb des Schiffrumpfs zwischen dem Schiffsrumpf und der Turbine (111, 112) an der Welle (103) angebracht ist zwecks Rotation zusammen mit derselben und daß die Turbine (111, 112) in dem Nabenteil des Propellers (130) untergebracht ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schubumkehreinrichtung vorgesehen ist mit mindestens einem Hilfskanal (109), der einen mit dem genannten Primärkanalsystem stromabwärts von der Pumpe (106) in Verbindung stehenden Einlaß und einen zur Abgabe von Wasser mit einer zum Bug des Schiffes hin gerichteten Bewegungskomponente dienenden Auslaß aufweist, und daß Steuermittel (105) in dem Primärkanalsystem stromabwärts von der Pumpe (106) vorgesehen sind, um selektiv Wasser von der Pumpe (106) in den Hilfskanal (109) zu leiten.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärkanalsystem eine ringförmige Einlaßöffnung enthält, die von einem konvergierenden Heckteil des Schiffes und von einem diesen Heckteil umgebenden Gehäuse (110) gebildet wird.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (110) mindestens einen Durchgang (109) aufweist, der sich diagonal von der Innenfläche des Gehäuses (110) zu dessen Außenfläche in einer Richtung erstreckt, die allgemein entgegengesetzt zu der Wasserströmung in dem Primärkanalsystem verläuft, und daß das Primärkanalsystem bewegbare Einrichtungen (105) aufweist, mit denen selektiv von der Pumpe (106) kommendes Wasser in den Durchgang (109) geleitet werden kann.
  6. 6. ' Vorrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine zwei gegenläufig rotierende Teile (518, 519) aufweist und je ein Propeller (530, 532) an jedem rotierenden Turbinenteil (518, 519) befestigt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (106) Pumpenflugel (107) aufweist und daß StrömungseinlaB-Führungsrippen (104) und Strömungsauslaß-Führungsrippen (105) in dem Primärkanalsystem angeordnet sind zum Leiten von Wasser zu den Pumpenflügeln (107) bzw.
    weg von denselben.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Führungsrippen (104, 105) so angeordnet sind, daß die Geschwindigkeit der Pumpenflügel relativ zu der sie umströmenden Flüssigkeit etwa halb so groß ist wie die Umfangsgeschwindigkeit der Pumpenflügel (107).
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bewegbare Rippen (105) in dem Primärkanalsystem vorgesehen sind zu dem Zweck, die Durchflußrate des Wassers in dem Primärkanalsystem selektiv zu variieren und dadurch die Drehzahl des Propeller (130) bei konstanter Drehzahl der Pumpe (106) zu variieren.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (114, 115) in dem Nabenteil des Propellers (130) angeordnet ist, daß Strömungseinlaß-Führungsrippen (104) und Strömungsauslaß-Führungarippen (105) in dem Primärkanalsystem angeordnet sind zu dem Zweck, Wasser zu den Flügeln (107) der Pumpe (106) und von diesen weg zu leiten, und daß mindestens ein Satz von Führungsrippen bewegbar ist, um die Wasserzuflußrate zu der Turbine (111, 112) zu steuern.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (111, 112) drehbare Flügel (112) aufweist, daß der Propeller (130) von Drucklagern getragen wird und daß die genannten Turbinenflügel (112) so angeordnet sind, daß sie eine Reaktionskraft erzeugen, die die auf die Propellerdrucklager ausgeübte Kraft reduziert, wobei die auf die Propellerdrucklager ausgeubte Kraft während der Propellertundrehung geringer ist als die auf das Schiff insgesamt ausgeübte Vorschubkraft.
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