DE2732223C3

DE2732223C3 - Verfahren zur Schuberzeugung bei Manövriertriebwerken für Wasserfahrzeuge und Manövriertriebwerke zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2732223C3
Application number: DE19772732223
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 2070 Ahrensburg Weiss
Original assignee: Jastram-Werke Kg 2050 Hamburg GmbH
Current assignee: Jastram-Werke Kg 2050 Hamburg GmbH
Priority date: 1977-07-16
Filing date: 1977-07-16
Publication date: 1980-12-04
Also published as: DE2732223A1; DE2732223B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schuberzeugung bei Manövriertriebwerken für Wasserfahrzeuge, bei dem Treibwasser und Saugwasser einem Diffusorabschnitt eines Triebwerkes zugeführt werden, wobei ein zentraler Saugwasserstrahl von dem ringförmigen Treibwasserstrahl eingehüllt wird, und ein für die Durchführung dieses Verfahrens ausgebildetes Manövriertriebwerk.

Zur Erzeugung eines Schubes mit Hilfe eines Strahltriebwerkes bei Wasserfahrzeugen ist es bekannt, eine niedrig belastete Axialpumpe einzusetzen. Die damit erreichbaren Wirkungsgrade liegen bereits so hoch, daß kaum noch Steigerungen möglich sind. Bei konstanten Strahlerzeugungswirkungsgraden ist der erreichbare Schub bzw. die Antriebsleistung eine Frage der Leistungsbelastung der Strahlerzeugungsfläche und der Geschwindigkeit. Für Manövriertriebwerke kann die Geschwindigkeit als Kriterium in erster Näherung entfallen, da die Anströmgeschwindigkeiten bei diesen Triebwerken im Verhältnis zu den Strahlgeschwindigkeiten sehr niedrig liegen. Propellertriebwerke haben ihre spezifischen Vorzüge, jedoch in manchen Anwendungsbereichen auch gravierende Nachteile, wie große Durchmesser, erforderliche ausreichende Tauchung, große beförderte Masse, große Steuerkräfte, schwere Leistungsübertragungseinheiten u.dgl. Ein Versuch, diese Nachteile zu vermeiden, führte stets zu einem höher belasteten Triebwerk. Dabei sind bei Propellertriebwerken Belastungen bis 500 PS/qm Strahlfläche möglich, so daß zu anderen Pumpentypen übergegangen werden muß. Die bei einstufigen Propellertriebwerken erreichbaren Strahlgeschwindigkeiten im Stand liegen bei etwa 10 m/sec Mit Diagonalpumpen kann dieser Bereich bis auf 15 m/sec gesteigert werden. Mit Radialpumpen können S'rahlgeschwindigkeiten von über 50 m/sec erreicht werden. Die erforderlichen Arbeitsdrücke liegen in der Strahlerzeugungsebene von 0,5 bis 20 bar.

ίο Je höher der Strahlerzeugungsdruck und damit die Strahlgeschwindigkeit des Triebwerkes ist, desto geringer werden auch die Verstellkräfte bei einem Manövriertriebwerk und desto geringer wird der Wasserdurchsatz. Der größte Nachteil allerdings ist die Tatsache, daß auch der Schub pro Wellen-PS rapide dabei abnimmt Ein Triebwerk, das mit etwa 5 bar Strahlerzeugungsdruck entsprechend einer Strahlgeschwindigkeit von etwa 30 m arbeitet, erzeugt nur noch maximal 3 Kp Schub je PS Antriebsleistung.

Dies ist der entscheidende Grund, weshalb Radialpumpen und auch Diagonalpumpen in die Propulsionstechnik nur in sehr geringem Maße Eingang gefunden haben.
Die Bemühungen gingen daher dahin, den entscheidenden Nachteil der hochbelasteten Strahltriebe, d. h. die geringen Schubausbeuten durch geeignete Ausgestaltung der Slrahlaustrittsvorrichtungen zu beheben oder zu mi'dern. Als Hilfsmittel bot sich hier vor allem die Ausnutzung des Ejektoreffektes an, bei dem ein hochbelasteler Treibstrahl durch eine geeignete Mischdüse zusätzlich Wasser ansaugt und zur Schuberzeugung herangezogen wird. Derartige Ejektorwirkungen sind in der Windkanaltechnik für Hochgeschwindigkeits-Windkanäle untersucht und angewandt worden.

Im Bereich der Wassersirahltnebwerke sind erst in jüngster Zeit eingehende Untersuchungen von WITTE (Zeitschrift »Marine Technology«, Juli 1%9, S. 291-302) durchgeführt worden.

Die von WITTE durchgeführten Kanalunlersuchungen mit Ejektortriebwerken beschränkten sich auf Ejcktoren mit zentraler Treibstrahleinblasung. Dabei wurde von Ejektortriebwerken von sehr großer Länge im Verhältnis zum Saugrohrdurchmesser ausgegangen, die eine Anwendung als drehbare Manövriertriebwerke nicht zuläßt.

Ein Verfahren und ein Manövriertriebwerk zur Durchführung des Verfahrens gemäß der eingangs genannten Art sind aus der FR-PS 11 39 802 bekannt.
Um hierbei die Verluste in einem Diffusor klein zu halten, in dem die verzögerte Strömung teilweise durch eine nicht materielle Diffusorwand begrenzt wird, ist eine Verbesserung an von flüssigen oder gasförmigen Medien durchflossenen Rohr· oder anderen Leitungen voi gesehen, wobei diese Verbesserung darin besteht, daß ein divergenter Teil einer derartigen Rohr- oder anderen Leitung von einer aus einem Fluid bestehenden Hülle gebildet wird, welche durch unter Druck erfolgendes Ausströmen eines Hilfsfluids in eine Düse in Form eines geeignet ausgerichteten Spaltes erzeugt wird, wobei die Düse an der Festwandung in demjenigen Bereich angeordnet ist, wo die Erweiterung der Leitung beginnen soll.

Die bei diesem bekannten Triebwerk vorgenommene Verbesserung ermöglicht es, die Verluste im Verlauf des Wiederanstieges des Druckes in einem divergenten Teil zu verringern. Die hierfür entsprechend ausgebi'dete Vorrichtung umfaßt einen konve^rgenten Teil mit einer Festwandung, die z. B. durch Rotation um eine Achse

erzeugt worden ist, aber auch eine beliebige Form aufweisen kann. Um den Hals dieses sich verengenden Teiles herum ist eine Düse in Form eines Spaltes angeordnet, die ein Verteiler und ein Rohr mit aus einer geeigneten Quelle stammendem, unter Druck stehendsm Hilfsfluid versorgen. Bei Austritt aus dem Spalt bildet dieses Hilfsfluid einen Strahl in Form eines Mantels, welcher die aus einem Festkörper bestehende Wandung der konvergenten Teiles fortsetzt und verlängert Der Spalt ist dabei räumlich so ausgerichtet, daß die Geschwindigkeit des flüssigen oder gasförmigen Mediums bei seinem Austritt mit der \chse einen spitzen Winkel α bildet, wobei der in dem Spalt einen Anfang nehmende Fiuidmantel auf diese Weise eine divergente Wandung bildet, weiche die aus einem Festkörper bestehende, am Hals endende konvergente Wandung fortsetzt. Dieser aus einem Fluid bestehende Mantel, der in seinem Ursprung die Tangente eines Rotationskegels mit einem Spitzenwinkel gleich 2<x bildet, falls der konvergente Teil eoenfalls ein Rotationskörper ist, oder der aber in jedem Fall in seinem Ursprung von den Anfangsgeschwindigkeiten der verschiedenen Strömungsfäden des Hilfsfluids eingehüllt wird, gestattet in gleicher Weise wie ein aus einem Festkörper bestehender divergenter Teil die Verringerung der am Hals erreichten Geschwindigkeit, aber mit einem guten energetischen Wirkungsgrad, und zwar durch Überdruck oder Verminderung der Grenzschichten mit verlangsamter Geschwindigkeit, wobei diese Schichten in den divergenten Teilen mit Festwandungen vorgefunden werden. Der Druck -der Hilfsgasquelle, welche den Verteiler speist, kann so gewählt sein, daß die Anfangsgeschwindigkeit der aus dem Spalt austretenden Slrömungsfäden mindestens der Geschwindigkeit der Hauptströmung an Hals gleich ist.

Die bekannten Triebwerke benutzen zwar den gleichen physikalischen Effekt des Schubgewinnes, sind jedoch so gestaltet, daß sie immer noch eine erhebliche Strahlgeschwindigkeit erzeugen. Hierzu sind diese Triebwerke am Strahlaustritt teilweise mit einer Düse versehen. Im Prinzip wird in diesen Triebwerken hochkonzentrierte Druckenergie in Geschwindigkeilsenergie mittlerer Konzentration umgewandelt.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Schuberzeugung bei Manövriertriebwerken für Wasserfahrzeuge und ein Manövriertriebwerk mit einem hohen Schub und mit einem günstigen Wirkungsgrad für Schiffe so zu verbessern, daß die vom sehr schnellen Treibwasser- so strahl berührten Wandflächen des Triebwerkes sehr klein gehalten bzw. ganz eleminiert sind und wobei ein optimales Strömungsprofil bei einer sehr kurzen Mischlänge und bei großem Diffusorwinkel bei Erzielung niedriger Strahlgeschwindigkeiten bei hohem Wasserdurchsatz erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird in einem Verfahren zur Schuberzeugung bei Manövriertriebwerken für Wasserfahrzeuge gemäß der eingangs beschriebenen Art gesehen, das erfindungsgemäß darin besteht, daß (>o das Saugwasser in zwei Slröi ι -sabs-chnitte aufgeteilt wird und der Saugwasserstrahl des zweiten Strömungsabschnittes wiederum den Treibwasserstrahl von außen einhüllt.

Als weitere Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Manövriertriebwerk für Wasserfahrzeuge, bestehend aus einem vorderen Triebwerks-Teil, der als Saugrohr ausgebildet ist und einen Treibwasser führenden Ringkanal mit einem Austrittsschlitz am Saugrohrende aufweist, und einem hinteren Triebwerks-Teil, der als Diffusordüse mit einer gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung einen kleineren Durchmesser aufweisenden Eintrittsöffnung und gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung des Saugrohres mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist, vor, daß die Eintrittsöffnung im Bereich der Austrittsöffnung des vorderen Tnebwerks-Teiles angeordnet ist und einen ringförmigen, oberhalb oder im Bereich des Austrittsschlitzes des Ringkanals liegenden Eintrittsschlitz für einen weiteren Saugwasserstrahl bildet

Damit ist ein Manövriertriebwerk geschaffen worden, welches bei guter Schubausbeute eine kleine Baulänge aufweist, bei dem der Wirkungsgrad günstig gestaltet ist, wobei die Wandflächen des Diffiisors von dem sehr schnellen Treibwasserstrahl nicht berührt werden. Bei diesem Manövriertriebwerk erfolgt keine Beaufschlagung der Ejektorwand mit der vollen Triebstrahlgeschwindigkeit, wie dies bei einem Randstrahlejektor der Fall ist. Außerdem wird ein optimales Strömungsprofil bei kurzer Mischlänge und großem Diffusorwinkel erreicht, d. h., daß die reibenden Wandflächen sehr klein werden. Diese Ausbildung eines Manövriertriebwerkes ermöglicht dessen Einsatz als drehbares Manövriertriebwjrk, und zwar insbesondere wegen der kurzen Länge des Triebwerkes. Mit einem solchen Manövriertriebwerk ist es möglich, einen Hochgeschwindigkeitsstrahl geringen Volumens in einen Strahl mit niedriger absoluter Geschwindigkeit und entsprechend größerem Volumen umzusetzen. Zur Erzielung der gewünschten niedrigen Strahlgeschwindigkeit ist daher das Manövriertriebwerk so gestaltet, daß extrem viel Wasser durchgesetzt wird, wobei der Hochleistungs-Diffusor-Abschnitt des Triebwerkes für eine möglichst weitgehende Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie — und damit in Schub — sorgt.

In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des Manövriertriebwerke'- ist vorgesehen, daß der ringförmige Austrittsschlitz des Ringkanals in Richtung auf die Innenwandfläche dpr Diffusordüse gerichtete Führungsflächen aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Manövriertriebwerkes erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 das Manövriertriebwerk in einem senkrechten Längsschnitt und

F i g. 2a, 2b, 2c die Gegenüberstellung der Strömungsprofile eines Mittelstrahlejektors und eines Ringstrahlejektors und eines Manövriertriebwerkes gemäß F i g. 1.

Das in F i g. 1 dargestellte Manö^riertriebwerk ist mit 10 bezeichnet und besteht aus einem vorderen Triebwerks-Teil 11 und einem hinteren Triebswerks-Teil 12.

Der vordere Triebwerks-Teil 11 wird von einem ringförmigen Kanal 20 gebildet, der den Triebwerksinnenraum 26 umschließt, so daß eine Eintrittöffnung 21 mit abgerundetem Einlauf und eine Austrittsöffnung 22 gebildet ist. Der Ringkanal 20 ist mit einem Zuführungsstutzen 23 für Treibwasser T versehen und weist an seinem, dem abgerundeten Einlauf entgegengesetzten Ende einen ringförmigen Schlitz 25 für den Austritt des Treihwassers Tauf. Der vom Ringkanal 20 umschlossene Innenraum 26 stellt den Saugabschnitt dar, durch den ein erster Saugwasserstrahl 51 hindurchgeleitet wird. Die Gesamtausbildung dieses Saugabschnittes ist dergestalt, daß die EintritUöffnung 21 gegenüber dim

Durchmesser der Auslritlsöffnung 22 einen etwas kleineren Durchmesser aufweist.

An dem vorderen Triebwerks-Teil 11 schließt sich der hintere Triebwerks-Teil 12 an, der den Diffusor darstellt und aus einer Diffusordüse 30 mit einer Eintrittsöffnung 31 der Diffusordüse 30 weist gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung 22 des vorderen Triebwerks-Teils 11 einen größeren Durchmesser auf, so daß die Eintrittsöffnung 21 in der von der Austrittsöffnung 22 des vorderen Triebwerks-Teiles 11 gebildeten Ebene zu liegen kommt, und zwar unter Ausbildung eines ringförmigen Spaltes 35 oberhalb des ringförmigen Schlitzes 25 für den Eintritt des Treibwassers T.

Der ringförmige Eintrittsschlitz 35 dient für die Zuführung eines zweiten Saugwasserstrahles 6'2 in den Innenraum 36 der Diffusordüse 30. Die Gesamtanordnung des vorderen Triebwerks-Teils 11 und des hinteren Triebwerks-Teiles 12 ist dergestalt, daß der in den ringförmigen Eintrittsschlitz 35 eintretende Saugwasserstrahl 52 an der Innenwandungsfläche 30a der Diffusordüse 30 in Pfeilrichtung X geführt wird. Der Innenraum 36 der Diffusordüse 30 verbreitert sich konisch zur Austrittsöffnung 32, so daß der Durchmesser der Austrittsöffnung 32 gegenüber dem Durchmesser der Eintrittsöffnung 31 der Diffusordüse 30 größer bemessen ist.

Der ringförmige Austrittsschlitz 25 im vorderen Triebwerks-Teil 11 ist in bezug auf seine Führungsflächen so ausgestaltet, daß der aus dem ringförmigen Austrittsschlitz 25 in Pfeilrichtung X1 austretende Treibwasserstrahl 7" bei gleichzeitigem Durchströmen des Saugwasserstrahles Sl in Pfeilrichtung XI durch d?s Triebwerk nicht die Innenwandfläche 30a der Diffusordüse beaufschlagt, sondern auf den an der Innenwandfläche 30a der Diffusordüse 30 entlang geführten Saugwasserstrahl 52 auftrifft und diesen mitnimmt, so daß Reibungsverluste durch Führung des Treibwasserstrahles Van der Innenwandfläche 30a der Diffusordüse 30 vermieden werden.

Aufgrund dieser Führung des Saugwassers und des Treibwassers und insbesondere aufgrund der Aufteilung des Saugwassers in zwei Strahlabschnitte 51 und 52 ergibt sich ein sehr günstiges Strömungsprofii (F i g. 2c) gegenüber den Strömungsprofilen bei einem Mittelstrahlejektor (Fig. 2a) und dem Strömungsprofil eines Ringstrahlejektors bekannter Bauart (Fig. 2b). Außerdem ergibt sich durch die Integration der Diffusordüse 30 in den Saug- bzw. Mischabschnitt des vorderen Triebwerks-Teiles 11 eine sehr kurze Baulänge des Gesamttriebwerkes, so daß dieses auch bei kleinen Schiffen als Manövriertriebwerk und insbesondere als drehbares Manövriertriebwerk verwendet werden kann. Dieses günstige Strömungsprofil bei dem vorliegenden Triebwerk ergibt sich aufgrund der Vermeidung der sonst auftretenden Reibung zwischen der Innenwandfläche des Diffusors und dem Treibstrahl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Schuberzeugung bei Manovriertriebwerken für Wasserfahrzeuge, bei dem Treibwasser und Saugwasser einem Diffusorabschnitt eines Triebswerkes zugeführt werden, wobei ein zentraler Saugwasserstrahl von dem ringförmigen Treibwasserstrahl eingehüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugwasser in zwei Strömungsabschnitte aufgeteilt wird und der Saugwasserstrahl des zweiten Strömungsabschnittes wiederum den Treibwasserstrahl von außen einhüllt

2. Manövriertriebwerk für Wasserfahrzeuge zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem vorderen Triebwerks-Teil, der als Saugrohr ausgebildet ist und einen Treibwasser führenden Ringkanal mit einem Austrittsschlitz am Saugrohrende aufweist, und einem hinteren Tnebwerks-Teil, der als Diffusordüse mit einer gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung einen kleineren Durchmesser aufweisenden Eintrittsöffnung und gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung des Saugrohres mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (31) im Bereich der Austrittsöffnung (22) des vorderen Triebwerks-Tei'es (11) angeordnet ist und einen ringförmigen, oberhalb oder im Bereich des Austritt«schlitzes (25) des Ringkanals (20) liegenden Ei..triU:>schIitz (35) für einen weiteren Saugwasserstrahl (S2) bildet.

3. Manövriertriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Austrittsschlitz (25) des Ringkanals (20) in Richtung auf die lnnenwandfläche der Diffusordüse (30) gerichtete Führungsflächen aufweist.