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Vorrichtung zum Vortrieb eines
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der normalerweise von dem Getriebe erzeugte Lärm wird ebenfalls vermieden.
Ferner wird der von dem
Untersetzungsgetriebe normalerweise eingenommene
Raum für andere Einrichtungen verfügbar.
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b. Das Vorsehen des speziellen Umkehrmechanismus in dem neuen System
eliminiert die Notwendigkeit von Umkehrstufen in der Dampfturbine oder in dem Untersetzungsgetriebe.
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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.
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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.
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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.
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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.
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g. Die neue hydrodynamische Übertragung arbeitet mit hohem Wirkungsgrad
über einen weiten Leistungsbereich.