DE3831136A1 - Verfahren zur verbesserung des wirkungsgrades und zur reduzierung der kavitation, der vibrationen sowie des unterwasserschalles von stroemungsmaschinen wie z. b. vorzugsweise unterwasser-stroemungs- bzw. antriebs-maschinen wie z. b. vorzugsweise ein- oder mehrstufen-propeller oder turbinen-anlagen - Google Patents

Description

Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Reduzierung der Kavitation, der Vibrationen sowie des Unterwasserschalles von Strömungsmaschinen wie z. B. vorzugsweise Unterwasser-Strömungs- bzw. Antriebs-Maschinen wie z. B. vorzugsweise Ein- oder Mehrstufen-Propeller oder Turbinen-Anlagen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung vorzugsweise hoher Vorschubkräfte mit hohem Wirkungsgrad von Unterwasser-Antriebs- oder Generator-Systemen, die sich durch geringe Schwingungen und Geräusche auszeichnen, wobei z. B. bei einem U-Boot oder Oberwasserschiff das Einstufen- oder vorzugsweise Mehrstufen-Antriebssystem sich dadurch auszeichnet, daß mittels z. B. Hohlwellensystemen die einzelnen Antriebsstufen im z. B. Gegenläuferprinzip so betrieben werden, daß der durch die erste oder vorangehende Druckstufe erzeugte Vorschub im umgekehrten Drehrichtung so verstärkt wird, daß bei gleichzeitiger Erhöhung des Vorschubes durch Umkehrung des Dralles der strömenden Drucksäulen bei gleichzeitiger Hinzuführung neuen zu beschleunigen Wassermengen, wobei die Zuführung des zusätz­ lichen Wassers dadurch erreicht wird, daß die jeweils folgende Druckstufe einen größeren Durchmesser hat, als die vorangegangene Druckstufe, wobei die einzelnen Druck­ stufen so ausgelegt sind, daß eine kleinere innere Lauf­ buchse mit der äußeren Abschlußverkleidung vorzugsweise z.B. ebenfalls als glatte Buchse oder z.B.in Düsenform ausbegildet über die Turbinenleitschaufeln z.B. in Schweißkonstruktion, oder als Gußteil aus z. B. Titan oder Bronze, bzw. in CFK- Bauweise mit oder ohne Trägerwerkstoffkörper in Verbund­ werkstoffkombination wie z.B. Titangrundkörper, der die Turbinen- bzw. Schiffsschraubengrundform darstellt und mit z. B. vorzugsweise CFK- Wickeltechnik verstärkt wird, so daß die Gesamtform der Turbinen- Bzw. Propellerkonstruktion in diesem Fall innen Titan und außen sichtbar CFK (Kohlenstoff verstärkter Kunststoff) hat, wobei die innere Buchse gleich­ zeitig innen die Lagerstelle mit oder ohne Kugel- bzw. Gleit­ lager für die nachfolgenden Turbinen bzw. Propellerantriebs­ stufe aufnimmt, wobei z.B. über eine z.B. elektronische Regelung die Antriebskräfte über einen oder mehrere Antiebsmotoren so geregelt angetrieben werden, daß keine Kavitation auftritt und die letzte Druckstufe nur soviel Vorschub erzeugt, daß der Drall der vorangegangenen Druckstufe durch Gegenläuferprinzip gerade optimal aufgehoben bzw ausgeglichen wird um eine möglichst laminare Abströmung von der letzten Antriebsstufe zu erhalten, um einen wirbelarmen und damit geräuscharmen und vibrationsarmen Schiffsantrieb sicherzustellen, der einen hohen Wirkungsgrad hat und damit Treibstoffkosten einsparen hilft.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung geräuscharmer Schiffsantriebe, die einen hohen Wirkungsgrad haben und vibrationsarm arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtvorschubkraft aufgeteilt wird über mehrere Druckstufen, die im Gegenläuferprinzip arbeiten und angetrieben werden durch z.B. Hohlwellen, wobei zur Erhöhung der Leistung von einer Druck­ stufe zur anderen über Vergrößerung der Durchmesser der nachfolgenden Druckstufe eine größere Wassermasse beschleunigt werden kann, oder bei umgekehrten Prinzip unter verringerung der Durchmesser nach den Gesetzen von Bernoulli die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden kann, wobei die Drehzahl der gegenläufig laufenden Turbinenräder oder Propellerräder vorzugsweise elektronisch geregelt wird und die Drehzahl der letzten Druckstufe vorzugsweise nur so weit gesteigert wird, daß eine laminare Wasserströmung erzielt wird, indem der Drall der vorletzten Druckstufe gerade optimal aufgehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwellen aus vorzugsweise einer Verbundwerkstoffkombination bestehen, wobei der Trägerwerk­ stoff aus z. B. Teflon, Titan oder Stahl oder einem Lagermaterial besteht und zur Verstärkung z. B. kohlenstoff­ verstärkter Kunststoff (CFK) in z. B. Wickeltechnik verwendet wird, um hochfeste Antriebswellen zu erzielen, die korrosionsfest sind und elektrisch neutral, wobei ein oder mehrere Gleit- oder Kugelrollenlager zur Lagerung der nächst­ kleineren Antriebswelle dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antiebsstufen z. B. in Turbinenläufer- oder Propellerform aus einem Trägerwerkstoff als Formkörper bestehen und mittels CFK- Wickeltechnik ausreichend verstärkt werden, wobei je nach Aufgabe z. B. die Lagerbuchse z. B. aus Teflon bestehen kann, um Wasserschmierung zu ermöglichen und der Turbinenschaufelteil mit dem inneren und äußeren Abschluß bzw. Laufringteil aus Stahl oder Titan mit CFK vorzugsweise bestehen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen- oder Propellerelemente verstellbar ange­ ordnet sind und mittels geeigneter Sensoren die Strömungsver­ hältnisse genau vermessen werden nach z. B. Geschwindigkeit, Drall, Turbulenz oder Kavitation und Strömungsgeräusche, sowie die Leistungsdaten wie Drehzahl, Drehmoment und die Schwingungsverhältnisse an den Antriebswellen ständig über­ wacht werden und mittels elektronischer Prozeßrechner erfaßt und so geregelt werden, daß eine geräuscharme, möglichst kavitations- und drallfreie Abströmung des Mehrstufenpro­ peller- oder Mehrstufenturbinensystems erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet,daß die Geschwindigkeit des Schiffes so exakt mittels geeigneter Sensoren vermessen wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Antriebswasserstromes so über z.B. Drehzahl- und oder Turbinenschaufel- oder Propellerblattstellung eingestellt wird, daß die Schiffsgeschwindigkeit und die Abströmge­ schwindigkeit möglichst nahezu gleich sind, um die Ge­ räuschbildung des Antriebsystemes möglich gering zu halten.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwendung der PM-Technik, daß heißt durch Anwendung von Hochleistungsmagneten als Permanentmagneten auf in diesem Falle vozugsweise Rotorseite und Verwendung von Hochleistungspulen mit Eisenkern als Elektromagneten auf der Statorseite, wobei eine umgekehrte Anordnung der Rotor-, bzw. Statorseite über Zuführung der elektrischen Energie mit­ tels Schleifringtechnik und oder anderer geeigneter Verfahren wie z. B. Induktion usw. möglich ist, die einzelnen Druckstufen bzw. Turbinen- oder Propellerantriebsstufen z. B. auf einer vorzugsweise fest mit dem Schiff oder U-Boot verbundenen Statorwelle, wie unter Anspruch 1-5 bereits beschrieben so zu Rotation zu bringen, daß die gleiche geräuscharme lamminare Antriebstechnik erreicht wird, aber in Kombination mit PM-Hochleistungsmotoren und den für U- Booten großen Vorteil, daß keine rotierende Welle mehr durch den Druckkörper geleitet werden muß, was bei hohen Tauchtiefen Probleme mit der Abdichtung bringen kann und außerdem bei Anwendung von PM-Technik in Verbindung mit magnetisch schwimmenden Lagern den Vorteil mit sich bringt, daß keine konventionellen Drucklager mehr benötigt werden, was gerade bei Anwendung hoher Antriebskräfte Probleme mit sich bringt durch Reibungs-und Erwärmungsverluste und damit geringeren Wirkungsgrad sowie Geräuschbildung, die ja insbesondere im militärischen Bereich unerwünscht sind, wobei zur Unterstützung bzw. zur Erzielung von Notlaufeigenschaften Gleit- oder Kugelrollen- bzw. Rollenlager-Lager Verwendung finden können, wobei die zur PM-Technik notwendigen Bau­ teile wie z. B. Magnet-Spulen mit Eisenkern und den Permanentmagneten hoher Leistung und oder zusätzlicher Gleit- oder Rollenlagern und der notwendigen Spannungsver­ sorgungen zur Erzeugung von Drehfelder, die über Hochleistungselektronik unter Verwendung von z.B. Thyristoren und Transitoren und anderer üblicher Bauteile z. B. ähnlich wie bei der Verwendung elektronischer Schweißstromquellen zur Anwendung kommen, wobei die Drehzahlregelung in üblicher Weise über eine elektronische Frequenzregelung erfolgt in der die verschiedenen Magnetspulen vorzugsweise z. B. nacheinander mit Spannung so versorgt werden, daß die sich dadurch entstehenden Magnetfelder als Kreisfeld ausbilden, was wiederum in Verbindung mit den Permanentfeldern zu einem reibungsarmen Antriebsmotor in Kompaktbauweise mit extrem hoher Leistung und sehr hohem Wirkungsgrad kombinieren läßt, wobei durch die Tatsache bedingt, daß die Antriebseinheit ebenfalls sich im strömenden Seewasser befindet, eine sehr gute Kühlung gewährleistet ist unter Fortfall der sonst konventioneller Antriebe notwendigen Lüfter, die auch Energie benötigen und Geräusche verursachen, was Nachteile sind, die bei diesem System eliminiert wurden im Sinne sehr leise, sehr antriebsstark bei geringen Energieverbrauch und hohem Wirkungsgrad, was die Voraussetzungen sind für Hochgeschwindigkeitsantriebe z. B. für Unterwasser- aber auch für Überwasserfahrzeuge, und darüberhinaus im Generatorbetrieb zur Speisung der U-Boot-Batterien benutzt werden kann bei ausgezeichneter Bremswirkung des System, was für Handelsschiffe, wie z.B. Großtankern große Vorteile bieten kann zur Vermeidung von Schiffskollisionen.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß in PM- Antriebstechnik unter Ausnutzung der magnetisch schwimmenden Lager in Kombination mit konventionellen Gleit- Kugel- oder Rollen-Lagern und den bereits beschriebenen Turbinen- bzw. Propellerschaufelrädern ein "Underwater- Jetstream-Propulsion-Plant", d.h. eine Unterwasserströmungsmaschine erzeugt wird, wobei die einzel­ nen Druckstufen dadurch gebildet werden, indem z. B. eine oder mehrere Antriebseinheiten miteinander in Reihe geschaltet werden und die Gesamtantriebsenergie auf die einzelnen Turbinenschaufelräder aufgeteilt werden mit dem Ziel Kavitation zu vermeiden, wobei der Stator gebildet wird durch die stromdurchflossenen Magnetspulen und der Rotor ausgebildet ist als z. B. eine geschlossene walzenförmige Turbinenröhre, wobei die einzelnen Turbinen- oder Propeller­ druckstufen hintereinander angeordnet sind und die äußere Oberfläche des Rotors mit Hochleistungs-Magneten bestückt sind, um den bekannten PM-Motor-Effekt kombiniert mit dem Effekt der magnetischen Lagerung zu erreichen, wobei die einzelnen Druckstufen durch Untergliederung in miteinander gegenläufigen laufenden Turbinen- bzw. Propeller-Rotoren wiederum so miteinander abgestimmt laufen, daß der Drall kompensiert wird und ein Umströmen an den Propeller- bzw. Turbinenschaufelenden mit Sicherheit unterbunden wird, weil durch entsprechende magnetische Lager, Gleitlager oder Rollen- bzw. Kugellager eine Abdichtung der sich gegeneinander drehenden Triebwerkseinheiten gewährleistet wird, wobei auch bei diesem Verfahren die Möglichkeit konstruktiv gegeben ist durch z. B. aufeinander abgestimmte unterschiedliche Durchmesser der Antriebseinheiten in Verbindung mit der Zufuhr neuen Seewassers die Menge der beschleunigten Wassermassen zu erhöhen, um die kinetische Energie im Sinne leistungsstarker Schiffsantriebe zu steigern, wobei auch hier durch Anwendung von Sensoren und Prozeßrechnern der Drall der letzten Antriebsstufe nahezu Null sein muß, um lamminare Abströmung zu erhalten, wobei auch möglich ist durch Verengung der Druckstufen unter Einhaltung der Strömungsgesetze wie z. B. der von Bernoulli die Strömungsgeschwindigkeit bei Steigerung der Rotation der Antriebseinheiten zu erhöhen, was für Spezialanwendungen wünschenswert sein kann.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß an der letzten Druckstufe ein nach allen Seiten schwenkbares Strahlrohr angebracht wird, daß zur Unterstützung der Schiffsruder die Manövrierfähigkeit eines Schiffes wesentlich verbessern hilft und bei U-Booten zusätzlich insbesondere bei Anwendung mehrer Antriebseinheiten z. B. auf der Backbord und Steuerbordseite bei abwärtsgerichtetem Strahl zur Beschleunigung eines Auftauchmanövers z. B. im Gefahrenfall zur Unterstützung von Notauftaucheinrichtungen benutzt werden kann.