DE3700530A1 - In ihrem wirksamen querschnitt veraenderbare duese fuer einen wasserstrahlantrieb fuer wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine über einstellbare Steuerklappen in ihrem wirksamen Querschnitt veränderbare Düse für einen Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, dem Austrittsende eines solchen Wasser­ strahlantriebs als Zylindermantelabschnitte ausgebildete, von sektorförmigen Wangen gehaltene Steuerklappen zuzuordnen, die in einem Gehäuse, das mittels Traversen durch­ setzende Lagerschrauben am Pumpengehäuse um eine senkrechte Achse schwenkbar gelagert ist, um je eine waagerecht liegende Achse gegensinnig schwenkbar zu lagern; vgl. DE-OS 26 44 743.

Da das die Steuerklappen tragende Gehäuse eine aus drei ineinander gleitenden Kugelschalenabschnitten bestehende, die Beschleunigungsstrecke zwischen Pumpe und Düse bildende Strahlaustrittsöffnung umfassen muß, ist dieses ein sehr kompliziertes Bauteil. Für das Beeinflussen des aus­ tretenden beschleunigten Wasserstrahles müssen sowohl die Kugelstrahlenabschnitte als auch die Steuerklappen verstellt werden, was aufwendig und störanfällig ist. Schließlich bereitet es Schwierigkeiten, den austretenden Wasserstrahl zwecks Rückwärtsfahrt um 180° umzulenken.

Es ist ferner bekannt, solche Steuerklappen um je eine senkrechte Achse gegensinnig schwenkbar zu lagern, die der Strahlaustrittsöffnung einer Radialpumpe eines derartigen Wasserstrahlantriebes nachgeschaltet sind, wobei die Steuerklappen lediglich der Querschnittsänderung der Düse dienen, während die Strahlablenkung zwecks Kurvenfahrt durch eine mittig zwischen den Steuerklappen gelagerte Prallplatte erfolgt; vgl. US-PS 30 55 175.

Auch diese Steuereinrichtung ist aufwendig und infolge der nur Teilströme des beschleunigten Wasserstrahls be­ einflussenden Prallplatte wenig wirkungsvoll. Auch bei Geradeausfahrt verursacht die Prallplatte ständig Strö­ mungsverluste. Ferner beeinflußt die gerade Steuerklappe beim Anstellen den Durchsatz der gesamten Pumpe, da sie bei ihrer Ausschwenkung den einen Kanal an der Eintrittskante, den anderen am Austritt sehr stark drosselt. Hierdurch wird die Durchflußgeschwindigkeit in dem einen Kanal bis zum Düsenaustritt stark verzögert mit den daraus folgenden großen Diffusorverlusten, der andere Kanal wird dagegen stark beschleunigt. Als Folge daraus ergeben sich neben diesen Verlusten wegen der unterschiedlichen Aus­ trittsgeschwindigkeiten auch unterschiedliche Düsenwirkungsgrade in beiden Teilen der derart geteilten Düse, der Gesamt- Düsenwirkungsgrad wird damit stets schlechter als ein Düsenwirkungsgrad mit einer einzigen optimierten Düsen­ öffnung, durch welche die gesamte beschleunigte Wassermenge strömt. Darüber hinaus bewirken diese Steuerklappen ein Umwechseln des Kurven­ mittelpunktes von einer Seite zur anderen, wenn von Vorwärts auf Rückwärtsfahrt geschaltet wird. Dies widerspricht dem normalen Fahrgefühl.

Schließlich bereitet es Schwierigkeiten, die notwendigen Steuerklappen den bei Wasserstrahlantrieben mit Axialpumpen üblichen runden Austrittsquerschnitten wirkungsvoll anzupassen.

Für Wasserstrahlantriebe der hier infrage stehenden Art gelten folgende grundsätzliche Überlegungen.

Der durch die Pumpe und die nachgeschaltete Beschleuni­ gungsstrecke des Strömungskanals beschleunigte und durch die Düse ausgestoßene Wasserstrom eines solchen Wasser­ strahlantriebes ist seiner Menge Q nach bestimmt durch

wobei mit F der Düsenquerschnitt, mit Hp die von der Pumpe erzeugte Förderhöhe und mit g die Erdbeschleunigung bezeichnet sind, wird ein Teil "ξ " der Geschwindigkeitshöhe, mit der sich das Wasserfahrzeug bewegt, durch eine vorteilhafte Ausbildung des Einlaufs zurückgewonnen, erhöht sich die an der Düse zur Verfügung stehende Druckhöhe Hges um diesen Anteil:

Hges = Hp + ξ · hw (2)

wobei

hw = w² : 2g

mit "w" als Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeuges.

Der Durchsatz "Qw" des mit der Geschwindigkeit "w" bewegten Systems wird damit:

Um den Wasserdurchsatz "Qw" der Pumpe in den einzelnen Be­ triebszuständen, die sich somit in Abhängigkeit der Fahrt­ geschwindigkeit "w" zwangsläufig ändern, in dem Bereich der vorbestimmten besten Wirkungsgrade im Pumpenkennfeld zu gewährleisten, ist es wie die Gleichungen (1) bis (3) zeigen, erforderlich, den Düsenquerschnitt "F" jeweils an die augenblickliche Geschwindigkeit "w" anzupassen.

Dieser Forderung unter Benutzung von Düsen mit einem kreis- oder kreisringförmigen Querschnitt nachzukommen, ist jedoch nur mit erheblichem Bauaufwand möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Düsen für Wasserstrahlantriebe und deren Steuerorgane derart weiterzubilden, daß bei einfacher und betriebs­ sicherer konstruktiver Ausbildung eine in ihrem wirksamen Querschnitt auf einfache und wirkungsvolle Weise veränderbare Düse geschaffen wird, die den vorstehend anhand der Gleichungen (1) bis (3) erläuterten Bedingungen weitestgehend entspricht und deren Strahlrichtung sich mit einfachen Mitteln ebenfalls wirkungsvoll ändern läßt, und zwar sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärts-Fahrtrichtung.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Da die erfindungsgemäße Düse nunmehr rechteckigen Querschnitt aufweist, erlaubt dies eine wirkungsvolle Veränderung des Düsenaustrittsquerschnitts mit Steuerklappen von ebenfalls rechteckigem Querschnitt. Der Aufwand bei der Fertigung und Montage sowie bei der Bedienung wird hierdurch beträchtlich gesenkt. Damit wird auch der bauliche Aufwand für das Steuergestänge, das mit der Düse und den Steuerklappen verbunden ist, bedeutend geringer. Zum Zwecke der Kurvenfahrt ist das die Düse tragende Bauteil als Gehäuse ausgebildet und um eine etwa senkrechte Achse verschwenkbar gelagert, wobei diese Achse gegen die Senkrechte geneigt sein kann. Mit dem Gehäuse sind alle Teile der Steuerung verbunden, welche der Querschnittsänderung der Düse und der Umlenkung des Wasserstrahls in der vertikalen Richtung wie für die Schubumkehr - Rückwärtsfahrt - dienen. Vorteilhafterweise sind dem Gehäuse zwei Zylinderschalen-Segmente zugeordnet, wobei das obere Zylinderschalen-Segment der notwendigen Querschnittsver­ änderung bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten und einer geringen vertikalen Strahlumlenkung nach unten, die vorteil­ hafterweise im Hafenbereich zur Vermeidung von Spritzwasser dient; während das untere Zylinderschalen-Segment zusammen mit dem oberen Zylinderschalen-Segment die Umlenkung des Wasserstrahles in Fahrtrichtung, also eine Schubumkehr für Rückwärtsfahrt oder einem Bremsvorgang bewirkt. Durch eine teilweise Öffnung in Form eines Spaltes zwischen dem oberen und dem unteren Zylinder­ schalen-Segment kann ein Austritt eines Teilstromes in axialer Richtung entgegen der Fahrtrichtung erzielt werden, so daß ein Gleichgewicht dieses Teilstromes mit dem nach vorne abgelenkten Teilstrom in ihrer Wirkung auf den Vortrieb oder eine jeweils gewünschte Komponente - etwa bei Anlegemanövern - lediglich durch Betätigung des oberen Zylinderschalen-Segmentes erzielt werden kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht von hinten auf die in ihren wirksamen Querschnitt mittels Steuerklappen ein­ stellbare Düse für einen Wasserstrahlbetrieb für Wasserfahrzeuge gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Düse gemäß Fig. 1, in der Stellung "Vorwärtsfahrt",

Fig. 3 eine Seitenansicht der Düse nach den Fig. 1 und 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Vorwärtsfahrt im Hafenbereich und bei Höchstge­ schwindigkeit",

Fig. 4 eine Seitenansicht der Düse gemäß den Fig. 1 und 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Rückwärtsfahrt" und

Fig. 5 eine Seitenansicht der Düse gemäß den Fig. 1 und 2 mit den zugeordneten Steuerklappen der Stellung "Neutraler Schub".

Ein in Vorausrichtung am Heck eines Wasserfahrzeuges ange­ ordneter Strömungskanal mit einem eine Ansaugöffnung auf­ weisenden und als Diffusor ausgebildeten Einlauf an seinem vorderen Ende, eine dem Einlauf nachgeordnete Pumpe in seinem mittleren Bereich zum Ansaugen und Beschleunigen von Wasser sowie einer Düse an der Strahlaustrittsöffnung an seinem hinteren Ende umfassender Wasserstrahlantrieb ist in den Fig. 1 und 2 lediglich mit dem Pumpenkörper 10 an seinem hinteren Ende gezeigt. Der Pumpenkörper 10 weist einen etwa kreisringförmigen Querschnitt auf und geht stromab in eine Düse 11 mit einem etwa rechteck­ förmigen Querschnitt über; vgl. insbesondere Fig. 1.

Um eine zwischen dem Pumpenkörper 10 und der Düse 11 befindliche, nur teilweise dargestellte vertikale Schwenkachse 13, ist die Düse 11 in der Zeichenebene schwenkbar gelagert. Die Einstellmittel hierzu sind der Übersicht halber nicht dargestellt.

Die Stirnseite der Düse 11 ist auf ihrer Oberseite bei 15 kreisbogenförmig und auf ihrer Unterseite bei 16 geradlinig abgeschrägt, wobei die Abschrägung 16 mit der Mittelachse 17 einen Winkel <90° einschließt, während die kreisbogenförmige Abschrägung 15 einen Radius aufweist, dessen Ursprung in einer unterhalb der Düse liegenden Schwenkachse 18 liegt.

Auf diese Weise bildet die Düse 11 eine in Richtung des Pfeiles 20 ausgerichtete Spitze 21.

Einer aus zwei kreissektorförmigen Seitenwangen 23 und einer kreisbogenförmigen Stirnseite 24 bestehendes Zylinderschalen-Segment bildet eine im Querschnitt U- förmige Steuerklappe 25 und ist auf der Schwenkachse 18 schwenkbar gelagert, deren Stirnseite 24 mit der kreis­ bogenförmigen Abschrägung 15 der Düse 11 korrespondiert, so daß beim Verschwenken der Steuerklappe 25 in Richtung des Pfeiles 28 aus der in Fig. 2 gezeigten Ruhestellung bis in die in Fig. 3 gezeigte Endstellung der durch die Abschrägung 15 begrenzte Düsenöffnungsteil stetig zunehmend abdeckbar, d. h. verschließbar ist.

Der geradlinigen Abschrägung 16 ist ebenfalls eine stetig verschwenkbare im Querschnitt ebenfalls etwa U-förmige Steuerklappe 30 zugeordnet, die gleichfalls aus kreis­ sektorförmigen Seitenwangen 31 und einer kreisbogen­ förmigen Stirnseite 32 besteht, und somit ebenfalls ein Zylinderschalen-Segment bildet, das auf einer Schwenkachse 34 schwenkbar gelagert ist, die an der Unterseite der Düse 11 stromab zur Schwenkachse 18 ortsfest angeordnet ist. Wie aus den Fig. 3 bis 5 sofort zu entnehmen ist, sind die Radien R 1 und R 2 beider Steuerklappen unterschiedlich gewählt, was zu einer unterschiedlichen Krümmung der Stirnseiten 24 und 32 führt. Die Stirnseiten 24 und 32 sind jedoch gleichsinnig gekrümmt, wobei die Schwenkachse 34 der Steuerklappe 30 innerhalb des Schwenkbereichs der Steuerklappe 15 liegt, so daß hierdurch in der in Fig. 4 dargestellten Steuerstellung eine vollständige Abdeckung der axialen Austrittsöffnung der Düse 11 erzielt wird. Ferner weist die Stirnseite 32 der Steuerklappe 30 eine Abschrägung 35 auf der Innenseite des Zylindermantels auf, mit der diese etwas unter die Stirnseite 24 der Steuerklappe 25 greift.

Die Steuergestänge für die vorstehend beschriebenen Steuerklappen sind ebenfalls der besseren Übersicht halber weder dargestellt noch beschrieben. Sie ermöglichen eine stetige Verstellung der Steuerklappen 25 und 30 aus der in Fig. 2 dargestellten Schaltstellung "Vorwärtsfahrt" in die in Fig. 4 dargestellte Schalt­ stellung "Rückwärtsfahrt", wobei Sperrmittel vorgesehen sind, um die Steuerklappen in jeder beliebigen Zwischen­ stellung feststellen zu können. In der in Fig. 5 darge­ stellten Schaltstellung "Neutraler Schub" wird der durch die Düse 11 austretende Wasserstrahl in zwei Teilströme 20/5 und 20/4 aufgeteilt, die sich in ihrer Wirkung aufheben, so daß kein resultierender Schub auf das hier nicht dargestellte Wasserfahrzeug ausgeübt wird.

Claims (7)

1. Über einstellbare Steuerklappen in ihrem wirksamen Querschnitt veränderbare Düse für einen Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge, der einen in Vorausrichtung am Heck des Wasserfahrzeuges angeordneten Strö­ mungskanal mit einem eine Ansaugöffnung aufweisenden und als Diffusor ausgebildeten Einlauf an seinem vorderen Ende, eine dem Einlauf nachgeordnete Pumpe in seinem mittleren Bereich zum Ansaugen und Beschleunigen von Wasser sowie eine Düse an der Strahlaustritts­ öffnung an seinem hinteren Ende umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (11) und ihre zugeordneten Steuerklappen (25, 30) im wesentlichen rechteckförmige Querschnitte aufweisen, daß die im Bereiche der Strahlaustrittsöffnung der Düse (11) kreisbogenförmigen Steuerklappen gleichsinnig aber mit unterschiedlichen Radien gekrümmt sind, und daß die Schwenkachse (34) der einen Steuerklappe (30) innerhalb des Schwenkbereiches der anderen Steuerklappe (25) angeordnet ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappen (25, 30) wirkungsmäßig hintereinander geschaltet sind.

3. Düse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuerklappen (25, 30) der Austrittsquerschnitt der Düse (11) veränderbar ist, wobei die Steuerklappen aus der Stellung "Vorwärtsfahrt" über eine schubneutrale Mittelstellung in eine Stellung "Rückwärtsfahrt" kontinuierlich bewegbar und in jeder Stellung feststellbar sind.

4. Düse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eine Schwenkachse (34) der einen Steuerklappe (30) dem unteren, stromab liegenden Ende der Strahlaustrittsöffnung der Düse (11) zugeordnet und die andere Schwenkachse (18) unterhalb der Düse (11) angeordnet ist.

5. Düse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Düse (11) mit den Steuerklappen (25, 30) in bezug auf den Pumpenkörper (10) um eine in etwa senkrechte Achse (13) schwenkbar gelagert sind.

6. Düse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerklappen (25, 30) Zylinderschalen-Segmente sind, wobei das obere Zylinder­ schalen-Segment (25) der Querschnittsveränderung der Düse (11) und einer geringen vertikalen Strahlablenkung nach unten dient, während das untere Zylinderschalen- Segment (30) zusammen mit dem oberen Zylinderschalen- Segment (25) die Umlenkung des Wasserstrahles zwecks Schubumkehr bewirkt.

7. Düse nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das obere Zylinderschalen- Segment (25) der Veränderung der wirksamen Querschnittsfläche der Düse (11) bei hohen Fahrge­ schwindigkeiten und einer teilweisen vertikalen Ab­ lenkung des Wasserstrahles dient.