DE3735409A1 - Wasserstrahlantrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wasserstrahl­ antrieb für schnellgehende Objekte, wie Schiffe, Torpedos o.ä., wobei ein zwangsweise angetriebenes, axial oder halbaxial durch­ strömtes Laufrad innerhalb eines Gehäuses bzw. Mantels angeordnet ist, wobei der Antrieb als steuerbarer Winkelantrieb (Z-Antrieb) oder aber auch mit starrer konventioneller Wellenanlage ausge­ führt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Antrieb mit den Merk­ malen des Gattungsbegriffes des Patentanspruches 1 so auszubilden, daß das Durchströmen des Triebwerkes nicht nur durch das Laufrad bewirkt wird und außerdem ein Kavitieren des Laufrades verhindert wird.

Der Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Kennzeichnungs­ teiles des Anspruches 1. Die Merkmale der Unteransprüche gestal­ ten die Erfindung in zweckmäßiger Weise aus.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Antriebs hat zur Folge, daß vor dem Laufrad ein Staudruck entsteht, der das Durchströmen des Triebwerkes unterstützt und ein Kavitieren des Laufrades weit­ gehend verhindert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1-3 je eine Ausführungsform der Erfindung als Mittellängsschnitt, während Fig. 4 den Ausschnitt X aus Fig. 2 in größerer Darstellung zeigt.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Antrieb als Winkelantriebs­ version, der um die Achse X-X um 360° endlos steuerbar ist. X-X ist die Längsachse eines hohlen Schaftes 1 a, an dessen unterem Ende die Triebwerksummantelung 2 befestigt ist. Auf das obere Ende des Schaftes 1 a wirkt in bekannter und deshalb nicht darge­ stellter Weise über ein Steuerrohr 1 b ein Steuergetriebe, das die Stellung des Schaftes 1 a in Umfangsrichtung bestimmt. Die Stel­ lung des Schaftes 1 a wiederum bestimmt die Richtung der Wasser­ strömung durch die Ummantelung 2 bzw. des Schubstrahles relativ zu der Längsachse des Wasserfahrzeuges, dem der Antrieb zugeord­ net ist, und durch Veränderung der Richtung des Schubstrahles wird die Fahrtrichtung des Wasserfahrzeuges bestimmt. Das strö­ mende Wasser ist durch Pfeile 3 dargestellt.

In der Ummantelung 2 ist das Laufrad 4 und hinter diesem ein feststehender Leitapparat 5 angeordnet. Der Leitapparat 5 wandelt die im Laufrad mit Drall beaufschlagte Strömung wieder in drall­ freie Strömung um.

Das Steuerrohr 1 b ist in Lagern 9, 9 a eines Tragrohres 100 des Schiffskörpers drehbar gelagert, in dem Schaft 1 a ist in einem oberen Lager 11 die Antriebswelle 10 für das Laufrad 4 drehbar gelagert. Mit der Welle 12 des Laufrades 4 ist die Antriebswelle 10 über einen Winkeltrieb 13-14 verbunden, von dem das Kegelrad 13 dem unteren Ende der Antriebswelle 10 und das Kegelrad 14 der Welle 12 des Laufrades 4 drehfest zugeordnet ist. Die Welle 12 ist drehbar in Lagern 15, 16 gelagert, die in der Nabe des Leit­ apparates 5 gehalten sind, der seinerseits aus der hohlen Nabe 17 und auf dieser aufgesetzten, feststehenden Schaufeln 18 besteht, deren äußere Enden mit der Ummantelung 2 verbunden sind. Die Antriebswelle 10 ist durch eine Öffnung 19 in der Ummantelung 2 hindurch- und in den Leitapparat hineingeführt, um vor der Nabe 17 zwischen zwei Schaufeln im Leitapparat 5 in einem unteren Lager 11 a gelagert zu sein. Das Laufrad besteht aus der mit der Welle 12 drehbaren Nabe 20 und den auf dieser angeordneten Schau­ feln 21, deren Außenkontur in geringem Abstand der Innenwand der Ummantelung 2 folgt.

Die Ummantelung 2 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D am Einlaßende größer ist als der Durchmesser d am Auslaßende, in der Zeichnung etwa in einem Verhältnis 2 : 1. Die Form der Ummante­ lung 2 ist außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser vom Einlaß aus zunächst größer wird, bis er im Bereich von etwa einem Viertel der Gesamtlänge L der Ummantelung den größten Durchmesser D _max hat. Größter Durchmesser D _max und Durchmesser D im Einlaß sind in einem Verhältnis von etwa 1,05 : 1 gezeichnet. Das Laufrad 4 ist im vorderen Bereich der Ummantelung 2 angeord­ net derart, daß der Laufradeinlaß unmittelbar hinter der Einlaß­ ebene der Ummantelung mit dem Durchmesser D und der Laufradauslaß unmittelbar vor der Ebene mit dem größten Durchmesser D _max der Ummantelung liegt. Im hinteren Bereich läuft die Ummantelung in einem Abschnitt 6 aus, der etwa parallel zur Wasserströmung gerichtet ist. Im übrigen ist die Krümmung der Ummantelung ste­ tig, d.h. die Durchmesserbereiche gehen ohne abrupte Durchmesser­ veränderungen ineinander über.

In eine Beziehung zueinander gebracht sind die Durchmesser von Gehäusewandmitte zu Gehäusewandmitte, jedoch verlaufen Außenseite und Innenseite so parallel zur Gehäusewandmitte, daß auch die Beziehungen zwischen Außen- bzw. Innendurchmessern zu keinen wesentlich anderen Beziehungen führen würden. Dabei ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die angegebenen Werte der Beziehungen nur definiert sind, um Vorstellungen über eine mögliche Ausgestaltung zu vermitteln. Die für den jeweiligen Fall tatsächlich vorzu­ sehenden Zahlenwerte der Beziehungen müssen letzlich empirisch festgelegt werden aufgrund der Kriterien einer optimalen Strömung. In jedem Fall soll aber dem Gehäuseverlauf vom Größtdurchmesser D _max zum Kleinstdurchmesser d ein ringförmiger Abschnitt zum Durchmesser D vorgeschaltet sein, wodurch sich die Gehäuseform von der konventionellen Kortdüse unterscheidet.

Innenseite und Außenseite der Ummantelung verlaufen im wesent­ lichen parallel zueinander, vorderes und hinteres Ende der Wand der Ummantelung 2 sind nahezu schneidenförmig und nur gering­ fügig abgerundet, um ein störungsfreies An- und Abströmen zu er­ möglichen.

Auf dem hinteren Ende der Ummantelung, d.h. im wesentlichen auf dem Teil 6 der Ummantelung, der parallel zur Wasserströmung ver­ läuft und düsenförmig ausgebildet ist, sind Flossen bzw. Flügel 7 aufgesetzt, die fest mit der Ummantelung verbunden sein können, vorzugsweise aber um Radialachsen drehbar der Ummantelung zuge­ ordnet sein sollen, um kleinere Steuerbewegungen bewirken zu können, wobei der Steuermechanismus wie die Antriebswelle 10 durch den Schaft 1 und die Ummantelung 2 hindurchgeführt sein kann. Die hinteren Enden der Flossen bzw. Flügel 7 liegen in der gleichen Radialebene wie das Ende der Ummantelung 2.

Der Einbau des Antriebes in das Wasserfahrzeug erfolgt in der Weise, daß die Längsachse X-X des Schaftes 1 vertikal steht und die Längsachse Y-Y des eigentlichen Antriebes horizontal liegt. Um den Einbau zu erleichtern, ist der Schaft 1 a vom Steuerrohr 1 b trennbar, wobei Schaft 1 a und Steuerrohr 1 b in einer Flanschver­ bindung 1 c lösbar miteinander verbunden sind. Der untere, kürzere Schaft 1 a ist Teil der Ummantelung 2.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wasserstrahlantriebes mit dem hinter der Eintrittskante zunächst etwas größer werdenden Durchmesser der Ummantelung, der sich dann bis zu dem Düsenbe­ reich 6 hin verjüngt, wird erreicht, daß die Strömung vor der Eintrittskante etwas gestaut wird und die gestaute Strömung den Mantel 2 stoßfrei und verlustarm umströmt. Der Querschnitt des Staumantels 2 hat demzufolge keine Ähnlichkeit mit einer bekann­ ten Kortdüse.

Das Triebwerk und insbesondere das Laufrad 4 sind erfindungs­ gemäß so konzipiert, daß weniger Wasservolumen durchgelassen wird, als normalerweise allein durch Zuströmung bei Fahrt hin­ durchströmen würde. Das Schluckvermögen des Laufrades 4 ist kleiner als das des Eintrittsquerschnittes der Ummantelung 2.

Insgesamt hat der Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 die Eigenschaft, daß schon vor dem Laufrad 4 ein entsprechender Staudruck entsteht, der das Durchströmen des Triebwerkes unter­ stützt und Kavitieren des Laufrades verhindert.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der dem Wasser durch den Staumantel an der Spitze des Staumantels ein Gas (Luft o.ä.) zugeführt wird, welches bewirkt, daß das außen vorbeiströ­ mende Wasser schon frühzeitig vor der Ummantelung abreißt und somit die Reibung am Außenmantel verringert wird. Gemäß Fig. 2, 4 mündet ein mit einer Gasquelle verbundenes Gasführungsrohr 22 in einen Ringkanal 23 in der Wand der Ummantelung 2, der kurz hinter der leicht abgerundeten, schneidenförmigen Einlaßkante der Um­ mantelung 2 mit einem Schlitz der ankommenden Wasserströmung entgegengerichtet ist, so daß sich zwischen Außenseite der Um­ mantelung 2 und der Wasserströmung eine Gasschicht 24 ausbildet, die die Wasserströmung veranlaßt, sich von der Außenseite der Ummantelung frühzeitig zu entfernen bzw. am Anlegen an die Auß­ enseite hindert. Es kann also erfindungsgemäß ein Anlegen der Außenströmung an die Ummantelung verhindert werden, oder die Außenströmung wird optimal an die Ummantelung angelegt. Eine Kavitation der Ummantelung wird wirksam verhindert.

In entsprechender Weise kann Gas zum hinteren Ende der Düse 6 geführt und zum Austreten aus einem Ringschlitz in der Strömungs­ richtung des Wassers veranlaßt werden, um hier den Sogeffekt zwischen Strahl und umströmendem Wasser zu vermeiden und Kavita­ tion zwischen beiden und dem Düsenende zu verhindern.

In Fig. 3 ist das gleiche Staumanteltriebwerk dargestellt, das jedoch durch eine konventionelle Wellenanlage 8 angetrieben wird die gleichachsig zur Längsachse Y-Y des Triebwerkes oder allen­ falls wenig geneigt zu dieser angeordnet ist. In diesem Fall ist das Aggregat nicht um 360° endlos steuerbar, sondern kleinere Steuerbewegungen können lediglich dann durchgeführt werden, wenn die Flossen bzw. Flügel 7 verstellbar gelagert sind.

Um das Laufrad und insbesondere ein gegebenenfalls dem Laufrad vorgeschaltetes Anströmgitter von sich ansammelnden Verunreini­ gungen befreien zu können, ist zwischen Antrieb und Laufrad ein Wendegetriebe vorgesehen, mit dem es möglich ist, das Laufrad kurzfristig und zu Reinigungszwecken in umgekehrter Drehrichtung anzutreiben.

Claims (20)

1. Antrieb für schnellgehende Wasserfahrzeuge mit einem ange­ triebenen, ummantelten, axial oder halbaxial durchströmten Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1.1 der Eintrittsquerschnitt (D) des feststehenden Mantels (2) größer ist als dessen Austrittsquerschnitt (d);
• 1.2 der Durchmesser des Mantels (2) vom Eintrittsquerschnitt (D) aus zunächst stetig größer wird, ehe er von einem größten Durchmesser D _max aus zum Austrittsquerschnitt (d) hin kleiner wird;
• 1.3 das Schluckvermögen des Laufrades (4) kleiner ist als das Schluckvermögen des Eintrittsquerschnittes (D).

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Außendurchmesser und der Innendurchmesser des Mantels (2) vom Eintrittsquerschnitt (D) aus zunächst stetig größer wird, ehe er von einem größten Außen- bzw. Innendurch­ messer aus zum Austrittsquerschnitt (d) hin kleiner wird.

3. Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß größter Innendurchmesser und größter Außendurchmesser D _max des Mantels in derselben Querschnittsebene des Man­ tels (2) liegen.

4. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Eintrittsquerschnitt des Mantels zu Aus­ trittsquerschnitt im Bereich von etwa 2 : 1 liegt.

5. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Eintrittsquerschnitt des Mantels zu größ­ tem Querschnitt im Bereich von etwa 1,05 : 1 liegt.

6. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) eine schneidenförmige, nur geringfügig abgerundete Umrandung sowohl des Eintritts- als auch des Austrittsquerschnittes hat.

7. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (4) in dem Bereich des Mantels (2) zwischen Eintrittsquerschnitt (D) und größtem Querschnitt D _max liegt und die Außenkontur der Schaufeln (21) des Laufrades der Innenkontur des Mantels in gleichbleibendem Abstand folgt.

8. Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittskante des Laufrades (4) kurz hinter der Eintrittsebene (D), die Austrittskante des Laufrades kurz vor der Ebene des maximalen Querschnittes D _max des Mantels (2) liegen.

9. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laufrad (4) ein axial oder halbaxial durchströmter Leitapparat (5) nachgeschaltet ist.

10. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserströmung im Bereich der Eintrittsöffnung (D) des Mantels ein Gas zugesetzt wird.

11. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Mantels unmittelbar hinter der Um­ randung des Wassereintrittes des Mantels einen Gasauslaß­ schlitz aufweist, so daß das austretende Gas vom anströmenden Wasser als Schleier zwischen Wasserströmung und Außenfläche des Mantels (2) gelegt wird.

12. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrandung des Wasserauslasses des Mantels in der Stirnfläche des Mantels einen Gasauslaßschlitz aufweist.

13. Antrieb nach den Ansprüchen 10-12 dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßschlitze an dieselbe Gasquelle angeschlos­ sen sind.

14. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenfläche des Mantels (2) im hinteren Mantelbereich Flossen bzw. Flügel (7) zugeordnet sind, die in der Ebene des Austrittsquerschnittes des Mantels enden.

15. Antrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen bzw. Flügel (7) um eine radial gerichtete Achse verstellbar sind.

16. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) am unteren Ende eines zwangsweise um seine Längsachse verstellbaren, radial gerichteten Schaftes (1) befestigt ist.

17. Antrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1 a) hohl ausgebildet ist und durch ihn die Antriebswelle (10) des Laufrades (4) hindurchgeführt ist, die über einen Winkeltrieb (13, 14) mit der Laufradwelle (12) verbunden ist.

18. Antrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1 a) grenzenlos um seine Längsachse drehbar ist, die bei eingebautem Antrieb vertikal gerichtet ist.

19. Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel auf der Innenseite zur Auslaßebene hin in einem zur Wasserströmung parallelen Wandabschnitt (6) aus­ läuft.

20. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk zur schnellen und kurzfristigen Drehrich­ tungsumkehr des Laufrades mit einem Wendegetriebe ausgerüstet ist.