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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Antrieb
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eines Wasserfahrzeuges.
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Wasserfahrzeuge, insbesondere Schiffe, sind bisher in der Regel mit
einem Propellerantrieb versehen, wobei eine mit Flügeln besetzte Propellerwelle
über einen Dieselmotor oder ein ähnliches Aggregat in Drehung versetzt und damit
angetrieben wird. Diese Antriebe besitzen einen entsprechenden begrenzten Wirkungsgrad.
Sie müssen in bestimmten Drehzahlbereichen gefahren werden, um beispielsweise Kavitation
zu vermeiden bzw. in Grenzen zu halten.
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Andererseits sind Düsenantriebe für Luftfahrzeuge bekannt.
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Dabei wird im verdichteten Luftstrom ein Brennstoff/Luftgemisch gezündet
und verbrannt, wobei die Rückstoßkraft des austretenden Mediums als Vortriebskraft
für das Flugzeug ausgenutzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Antriebsart für
Wasserfahrzeuge zu schaffen, bei der die Rückstoßkraft eines austretenden Mediums
nutzbar gemacht wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Pumpe für Wasser,
eine Pumpe für Luft und ein Schubrohr vorgesehen sind, daß das Schubrohr in Durchströmrichtung
zwei Anschlüsse für mit den Pumpen verbundene Leitungen, eine Mischkammer für Wasser
und Luft im Bereich eines Venturirohres und ein Ausströmende für das Wasser/Luftgemisch
aufweist, wobei zumindest das Ausströmende des Schubrohres unterhalb der Wasserlinie
angeordnet ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, eine Zweistoffgemisch
aus einer Flüssigkeit und einem Gas, nämlich aus Wasser und Luft für die Nutzbarmachung
des
Rückstoßeffektes zu benutzen. Es wurde nämlich festgestellt,
daß mit einem solchen Zweistoffgemisch beim Durchströmen eines Schubrohres ein wesentlich
größerer Rückstoßeffekt erzielt werden kann als beim Durchströmen mit nur einem
Stoff, sei es Flüssigkeit oder Gas. Es spielt auch eine Rolle, in welches Medium
hinein der Ausstoß des durch das Schubrohr geführten Stoffes erfolgt. Läßt man durch
ein Schubrohr allein Wasser in das umgebende Medium Luft ausströmen, dann ergibt
sich ein gewisser Rückstoßeffekt, der beachtlich absinkt, wenn das Schubrohr unterhalb
der Wasserlinie angeordnet wird, so daß dann lediglich Wasser in Wasser ausströmt.
Ändert man jedoch das durchströmende Medium durch Hinzufügung von Luft in ein Zweistoffgemisch,
dann steigt die Rückstoßkraft in nicht zu erwartendem Umfange an. Auf dieser Erkenntnis
baut die vorliegende Erfindung auf. Wasser und Luft sind in der Nähe eines Wasserfahrzeuges
in ausreichendem Umfange vorhanden und können jeweils getrennt. voneinander durch
entsprechende Pumpen leicht gefördert werden. Die Zusammenführung der beiden Medien
in dem Schubrohr eröffnet keine nennenswerten Schwierigkeiten. Die Förderung von
Luft ist nicht so energieaufwendig wie die Förderung von Wasser. Der neue Antrieb
besitzt somit einen vergleichsweise verbesserten Wirkungsgrad. Das Ansaugen des
Wassers mit der Pumpe kann ohne Weiteres im Bereich der Bugwelle eines Schiffes
geschehen, wodurch ein zusätzlicher Vorteil erreicht wird. Mit der im Wasser ausströmenden
Luft wird weiterhin der Sauerstoffgehalt des Wassers angereichert, was sich insbesondere
in der Flußschiffahrt günstig auswirkt. Es ist bekannt, daß man dort ausschließlich
Luft von Flußschiffen in das Wasser pumpt, um den Sauerstoffgehalt des Wassers zu
erhöhen. Dieser Vorteil fällt bei der erfindungsgemäßen Antriebsart als Nebenprodukt
an.
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Das Schubrohr kann zweckmäßig an seiner ansonsten geschlossenen Stirnfläche
eine Öffnung zum dichtenden Einführen eines Rohres für Wasser aufweisen. Das freie
Ende dieses Rohres für Wasser in das Venturirohr ist bis kurz vor dessen engstem
Querschnitt hineinragend angeordnet. Dies ist eine besonders zweckmäßige Zuführung
für die beiden Medien zu dem Schubrohr.
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Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich. Das Schubrohr weist im
Bereich vor dem Venturirohr eine zweite Öffnung zum dichtenden Anschluß der mit
der Pumpe für Luft verbundenen Leitung auf, die außerhalb des Rohres für Wasser
im Schubrohr endet.
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Wasser einerseits und Luft andererseits werden also dem Venturirohr
im Schubrohr getrennt zugeleitet, wobei sie vor dem engsten Querschnitt des Venturirohres
bereits direkt miteinander in Verbindu-ng treten können und in der sich anschliessenden
Mischkammer, also dem Erweiterungsteil des Venturirohres, eine innige Vermischung
miteinander eingehen. Dieses Wasser/Luftgemisch tritt dann am Auströmende des Schubrohres
in das Wasser aus.
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Das Rohr für Wasser kann verschieb- und feststellbar im Schubrohr
gelagert sein, um sein Ausströmende relativ zu dem Venturirohr einzustellen.
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Dem Venturirohr kann ein sich in Strömungsrichtung des Wasser-/ Luftgemisches
erstreckendes Beschleunigungsrohr mit sich verengendem Querschnitt nachgeschaltet
sein, das in einer Düse am Ausströmende des Schubrohres endet. Durch diesen sich
in Strömungsrichtung verengenden Querschnitt des Beschleunigungsrohres wird das
Wasser/Luftgemisch beschleunigt und somit an der Düse mit größerer Geschwindigkeit
austreten. Auch hierdurch ergibt sich eine Erhöhung des Rückstoßeffektes. Selbstverständlich
ist dieser bei allen Ausführungsformen der Vorrichtung von der Menge des Wassers
und der Menge der Luft abhängig. Dieses Mischungsverhältnis kann variiert und optimiert
werden.
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Der Querschnitt des Rohres für Wasser ist etwa gleich groß wie der
Querschnitt der Düse des Beschleunigerrohres. Andere geometrische Abmessungen sind
selbstverständlich möglich.
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Die für Luft bestimmte Leitung kann in mehrere Teilleitungen aufgeteilt
sein, die gleichmäßig über den Umfang des Schubrohres verteilt an die Mischkammer
herangeführt sind. Hierdurch wird eine noch gleichmäßigere Durchmischung und Verwirbelung
der in das Wasser eingebrachten Luft mit dem ausströmenden Wasser erzielt.
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Die dem Schubrohr zugeführten Volumina an Luft und Wasser können etwa
in gleicher Größenordnung Anwendung finden. Auch dieses Verhältnis läßt sich variieren
und anpassen.
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Wenn die Ansaugstelle der Zuleitung zur Pumpe für Wasser vorn an dem
Wasserfahrzeug im Bereich der Bugwelle vorgesehen ist, dann wird d-urch die Wegnahme
dieses Wassers gleichzeitig der entsprechende Widerstand bzw. ein Teil desselben
weggenommen, was dem Antrieb insgesamt nur förderlich sein kann.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen der Antriebsvorrichtung
und unter Darlegung von Versuchsmessungen weiter erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen
Querschnitt durch ein Schubrohr in einer ersten Ausführungsform als wesentlicher
Bestandteil der Antriebsvorrichtung, Fig. 2 die schematische Darstellung einer Versuchsanlage
zu Meßzwecken, Fig. 3 ein Diagramm der Meßergebnisse mit der Vorrichtung gemäß Fig.
1 bzw. 2,
Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1 mit einer
zweiten Ausbildungsmöglichkeit der Vorrichtung, Fig. 5 Meßergebnisse mit der Vorrichtung
gemäß Fig. 4, Fig. 6 eine Vorrichtung ohne Venturirohr und Fig. 7 die Meßergebnisse
der Vorrichtung gemäß Fig. 6.
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In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Schubrohres 1 etwa
im Maßstah 1 : 1, also mit den entnehmbaren geometrischen Abmessungen dargestellt.
In dem Schubrohr 1 ist ein Venturirohr 2 ausgebildet, also eine Querschnittsverengung
mit einem engsten Querschnitt 3, an den sich eine Erweiterung anschließt, die eine
Mischkammer 4 bildet. Das Schubrohr besitzt im Anschluß an das Venturirohr 2 in
Durchströmrichtung entsprechend dem Pfeil 5 konstanten Querschnitt und endet an
einem Ausströmende 6. Auf der anderen Seite besitzt das Schubrohr 1 eine im wesentlichen
geschlossene Stirnfläche 7, in der eine öffnung 8 zum dichtenden Einführen eines
Rohres 9 vorgesehen ist, welches für die Zufuhr von Wasser bestimmt ist und einen
Anschluß 10 bildet, an den eine Leitung .11 (Fig. 2) herangeführt ist. Das Rohr
9 ragt in den sich verengenden Querschnitt des Venturirohres 2 mit seinem freien
Enden und ist zweckmäßig axial ver- und feststellbar gelagert. Im Schubrohr 1 ist
eine zweite öffnung 12 vorgesehen, durch die ein Rohr 13 dichtend eingeführt ist,
welches einen Anschluß 14 für eine Leitung 15 aufweist. Die Leitung 15 bzw. Anschluß.
14 an dem Rohr 13 sind für die Heranleitung von Luft bestimmt. Die Leitung 11 für
Wasser geht von einer Pumpe 16 aus. In der Leitung 11 ist ein Meßgerät 17 zur Messung
des Wasserdurchsatzes angeordnet. Analog beginnt die Leitung 15 für Luft an einer
Pumpe 18 für Luft. Es ist hier
ein Meßgerät 19 für den Luftdurchsatz
vorgesehen.
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In Fig. 2 ist durch eine Wasserlinie 20 angedeutet, daß das Schubrohr
1 zumindest mit seiner Ausströmöffnung 6 unterhalb der Wasserlinie 20 endend vorgesehen
ist. Es versteht sich, daß die Pumpe 16 zfür Wasser mit ihrem Ansaugende oder einer
entsprechenden Zuleitung ebenfalls unter die Wasserlinie 20 hinabreicht oder auch
die ganze Pumpe 16 unterhalb der Wasserlinie angeordnet ist, damit die Pumpe 16
das Wasser fördert. In der Versuchsapparatur, mit der entsprechende Messungen durchgeführt
worden sind, war das Schubrohr 1 mit Hilfe eines Hebels 21 in einem Lager 22 schwenkbar
aufgehängt.
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Am anderen Hebelende bestand Verbindung zu einer Federwaage 23, um
die im Schubrohr erzeugte Rückstoßkraft messen zu können. Die Geometrie des Hebels
21 war so gewählt, daß dieser gleichlange Hebelarme bezüglich des Lagers 1 aufwies,
so daß hier keine über oder Untersetzung der Kräfte durch den Hebel 21 erfolgte.
Ein Festlager 24 der Federwaage 23 war so verschiebbar, daß während des jeweiligen
Versuches der Hebel 21 in die Vertikalstellung verstellt werden konnte, um auf diese
Art und Weise die Einleitung von Nebenkräften etwa durch die Leitungen 11 oder 15
oder auch den Einfluß der Gewichtskraft des Schubrohres 1 bezüglich des Lagers 3
auszuschalten.
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Fig. 3 zeigt nun die Meßergebnisse mit der Vorrichtung gemäß den Fig.
1 und 2. Die gestrichelte Linie gilt für die Anordnung des Schubrohres 1 oberhalb
der Wasserlinie 20 und für das Ausströmen von Wasser ohne Luftzuführung. Es wird
also allein die Pumpe 16 in Betrieb gesetzt. Die Leitung 15 ist abgeschlossen. Auf
der Abszisse ist der Wasserdurchsatz in Liter pro Stunde aufgetragen. Auf der Ordinate
ist die entsprechende Rückstoßkraft in Gramm an der Federwaage 23 eingeteilt. Wie
man sieht, ergibt sich in der gestrichelten
Linienführung schon
eine gute Rückstoßkraft, wenn man lediglich Wasser in das umgebende Medium Luft
ausströmen läßt.
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Verlagert man das Schubrohr nun unterhalb der Wasserlinie 20, so daß
lediglich Wasser in Wasser ausströmt, dann ergibt sich die Rückstoßkraft entsprechend
der strichpunktierten Linie. Die Rückstoßkraft. sinkt also gegenüber dem. vorangehenden
Versuch ganz erheblich ab. öffnet man nun die Leitung 15 und setzt die Pumpe 18
für Luft ebenfalls in Betrieb, dann steigt die an der Federwaage 23 zu messende
Rückstoßkraft unerwartet an, und zwar auf Werte, die je nach der Menge der zugesetzten
Luft sogar die gestrichelte Linie deutlich übersteigen. Mit dem Zusatz von Luft
zu dem strömenden Wasser ist es möglich, beispielsweise die Rückstoßkraft bei 1
500 1 Wasser pro Stunde der gestrichelten Linie mit dem Wert 360 g, der gemäß der
strichpunktierten Linie auf .110 g absank, mit einem Zusatz von 0,6 m3 Luft pro
Stunde wieder auf 380 g zu bringen.
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Mit einem Luftzusatz von 1 m3 -pro Stunde steigt die Rückstoßkraft
sogar auf 475 g. Mit 2 m3 Luft pro Stunde erhält man 540 g. Gemäß der strichpunktierten
Linie sind dagegen für eine Rückstoßkraft von 360 g ein Wasserdurchsatz von 1 500
Litern pro Stunde erforderlich. Den gleichen Wert erhält man durch die Kombination
von 06, m3 Luft pro Stunde und 1 450 Liter Wasser pro Stunde oder durch die Kombination
1 m3 Luft pro Stunde und 1 260 Liter Wasser pro Stunde oder auch 2 m3 Luft pro Stunde
und 1. 150 Liter Wasser pro Stunde, wie die durchgezogenen Linien zeigen. Die Einspeisung
von 2 m3 Luft pro Stunde kompensiert somit einen Verbrauch von 350 Liter Wasser
pro Stunde.
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In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform des Schubrohres 1 dargestellt,
welches an sich grundsätzlich ähnlich wie dasjenige in Fig.. 1 aufgebaut ist, nämlich
mit einem Venturirohr 2 und einer Mischkammer 4. Hieran schließt sich jedoch
ein
Beschleunigungsrohr 25 mit sich in Strömungsrichtung verengendem Querschnitt an,
der am Ausströmende 6 in eine Düse 26 übergeht.
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Die Meßergebnisse dieser Vorrichtung gemäß Fig. 4 sind in Fig. 5 dargestellt,
wobei wiederum die gestrichelte Linie für die Anordnung des Schubrohres oberhalb
der Wasserlinie 20 mit alleinigem Wasserausstoß gilt. Die strichpunktierte Linie,
also für reinen Wasserausstoß unterhalb der Wasserlinie 20 zeigt keine wesentliche
Änderung. Dagegen ist der Einfluß der eingeleiteten Luft gemäß den durchgezogenen
Linien deutlich größer als bei den anderen Versuchen. Diese Kurven lassen den Schluß
zu, daß mit einem Beschleunigerrohr 25 ein deutlich erhöhter Rückstoßeffekt erzielbar
sein wird. Diese Ausbildung wird sich optimieren lassen, denn je kleiner die Düse
26 ist, um so größer ist der Strömungswiderstand und damit der Leistungsbedarf der
Pumpen 16 und 18.
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Um die gemessenen Effekte der Ausbildung des Schubrohres 1 besser
zuordnen zu können, wurden auch Negativversuche gemacht, und zwar mit einer Vorrichtung
gemäß Fig. 6, also mit einem Schubrohr 1, welches kein Venturirohr 2 aufwies. Die
mit konstantem Durchmesser durchgehende Wandung des Schubrohres bewirkte damit lediglich
eine vergleichsweise geringfügige Durchmischung des Wassers und der Luft. Die zugehörigen
gemessenen Rückstoßkräfte sind aus Fig. 7 entnehmbar.
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Auch hierbei gilt die gestrichelte Linie für die Anordnung des Schubrohres
gemäß Fig. 6 oberhalb der Wasserlinie 20, während die strichpunktierte Linie für
die Anordnung unterhalb der Wasserlinie 20 gilt. In beiden Fällen war der Luftanschluß
abgeschlossen, so daß nur Wasser zur Ausströmung gebracht wurde. Die durchgezogenen
Linien gelten dann für Luftzusatz zu dem Wasser. Es ist erkennbar, daß die Absenkung
der Rückstoßkraft von der gestrichelten in die strichpunktierte
Linie
durch Zusatz von Luft gerade wieder ausgeglichen werden kann. Ein nennenswerter
zusätzlicher Effekt ist hier nicht meßbar, so daß erkennbar wird, daß auf die Anordnung
des Venturirohres innerhalb des Schubrohres. 1 nicht. verzichtet werden kann.
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Bezugszeichenliste: 1 = Schubrohr 2 = Venturirohr 3 = engster Querschnitt
4 = Mischkammer 5 = Pfeil 6 = Ausströmende 7 = Stirnfläche 8 = öffnung 9 = Rohr
10 = Anschluß 11 = Leitung 12 = Öffnung 13 = Rohr 14 = Anschluß 15 = Leitung 16
= Pumpe 17 = Meßgerät 18 = Pumpe 19 = Meßgerät 20 = Wasserlinie 21 = Hebel 22 =
Lager 23 = Federwaage 24 = Festlager 25 = Beschleunigungsrohr 26 = Düse
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