DE4021340A1 - Wasserstrahlantrieb fuer schiffe, die zum einsatz in flachen gewaessern bestimmt sind - Google Patents

Description

Bei einem sogenannten Pumpjet, wie er hier als bisher prak­ tizierter Stand der Technik zugrundegelegt wird, ist im Schiffs­ rumpf ein vertikaler, rohrförmiger Schacht eingebaut, dessen unteres Ende in der im wesentlichen horizontalen Ebene liegt, die den im wesentlichen ebenen Boden des für den Einsatz auch in extrem flachen Gewässern bestimmten Schiffs aufnimmt. In diesem Schacht ist um eine vertikale Achse, die mit der Längs­ achse des Schachts zusammenfällt, drehbar ein halbaxiales Laufrad angeordnet. Dieses Laufrad saugt in seinem Einlaß Wasser axial an, um es in den Schaufelkanälen schräg nach oben zu fördern. Das geförderte Wasser gelangt in ein Spiral­ gehäuse, aus dem es durch eine Düse hindurch austritt, wobei die Strahlenergie den Vortrieb des Schiffes bestimmt und die Strahlrichtung dessen Bewegungsrichtung. Nach unten ist der Schacht durch einen Deckel verschlossen, in dem konzentrisch die Ansaugöffnung für das vom Laufrad anzusaugende Wasser angeordnet ist.

Dieses Prinzip wurde bei einer sogenannten Topfpumpe nach der DE-OS 37 35 699 insofern verlassen, als das Laufrad statt in ein Spiralgehäuse zu fördern, in einen feststehen­ den Leitschaufelkranz fördert, der so ausgebildet ist, daß an den Austrittsenden der Strömungskanäle die am Eintritts­ ende dieser Kanäle vorliegende Strömungsenergie weitestgehend in Druckenergie umgesetzt ist. Der Schacht ist nicht mehr im Schiffsrumpf fest eingebaut, sondern ein um seine Längs­ achse drehbares Druckgehäuse, und er umschließt zusammen mit der Bodenplatte eine Druckkammer, in der sich das geför­ derte Wasser mit dem Druck befindet, wie er sich am Austritts­ ende des Leitschaufelkranzes einstellt. An jeder beliebigen Stelle des Druckgehäuses oder "Topfes" kann eine Austritts­ öffnung angebracht werden, um den Vortrieb des Schiffes zu bewirken und die Vortriebsrichtung bzw. Fahrtrichtung des Schiffes zu bestimmen. Statt dieser einen Austrittsöffnung kann auch eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen in zweckent­ sprechender Zuordnung zueinander und zum Gehäuse vorgesehen werden. Durch Schwenken des Druckgehäuses kann die Austritts­ richtung des oder der das Gehäuse verlassenden Strahls bzw. Strahlen bestimmt werden, um damit die Schubrichtung bzw. die Fahrtrichtung des Schiffes bestimmen zu können. Damit ist ein für neu erachtetes Antriebssystem aufgezeigt, ohne daß aber angegeben wird, wie dieses Prinzip in die Praxis umgesetzt werden könnte.

Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein, indem sie eine in besonders zweckmäßiger Weise in der Praxis realisier­ bare Bauweise einer solchen Topfpumpe aufzeigt. Die Merkmale einer erfindungsgemäßen Pumpe ergeben sich aus den Patent­ ansprüchen. Die Pumpe ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 3,

Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 3 eine vertikale Ansicht auf die Unterseite der Pumpe gemäß Fig. 1, 2 und

Fig. 4 eine Einzelheit der Anordnung, die in Fig. 1 etwa durch den Kreis A umschrieben ist, in größerer Darstellung.

Wie an sich bereits bekannt, weist auch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung einen zylindrischen bzw. topfförmigen Druckbehälter 1 auf, der mit vertikaler Längsachse im Schiff eingebaut ist, unten durch eine Bodenplatte 3, oben durch die mit Rippen 27a versteifte Deckplatte 27 verschlossen ist und gleichachsig zu seiner Längsachse das halbaxial beschaufelte Laufrad 2 aufnimmt, dem ein Leitschaufelkranz 5 nachgeschaltet ist, der weitestgehend die Strömungsenergie, die im Bereich der Auslaßkanten der Schaufeln des Laufrades 2 herrscht, in Druckenergie umsetzt. Der axiale Wassereinlaß 4 in das Druckgehäuse 1 ist konzentrisch zur Gehäuselängsachse in die Bodenplatte 3 integriert, in die auch drei Auslaßdüsen 10, 11, 12 symmetrisch zu einer vertikalen Durchmesserebene 16a (Fig. 2) angeordnet und ausgebildet sind. Das axial durch den Einlaß 4 angesaugte Wasser wird im Laufrad 2 in eine Richtung schräg nach oben gelenkt und nach dem Leit­ apparat mit dem Leitschaufelkranz 5 den Auslaßdüsen 10 bis 12 zugeführt, um diese schräg nach unten gerichtet zu verlassen (Fig. 1). In der Druckkammer 6 des Druckgehäuses 1 liegt dem­ zufolge nur eine sehr geringe Strömung vor, weil die Strömungs­ energie eben weitestgehend in Druckenergie umgesetzt ist. Der Strömungsverlauf von der zentrischen Eintrittsöffnung 4 in der Bodenplatte 3 bis zum Eintritt in die Druckkammer 6 bzw. zum Ende der Strömungskanäle des Leitschaufelkranzes sind durch Pfeile 7 (ansaugen), 8 (Durchtritt durch die Strömungs­ kanäle des Laufrades 2) und 9 (Durchtritt durch die Strömungs­ kanäle des Leitschaufelkranzes) gekennzeichnet. Der Austritt des Wassers aus der Druckkammer 6 erfolgt über die drei in gleicher Weise und parallel schräg nach unten gerichteten in die Bodenplatte 3 integrierten Auslaßdüsen 10, 11 und 12 entsprechend den Pfeilen 13, 14 und 15. Da die drei Auslaß­ düsen 10, 11 und 12 in der Draufsicht gemäß Fig. 3 bezüglich der vertikalen Längsmittelebene 16 symmetrisch angeordnet sind, treten bei der Rundumsteuerung in beide Drehrichtungen mit oder gegen den Uhrzeigersinn keine unterschiedlichen und obendrein noch sehr niedrige Steuermomente auf, was die Lage­ rung des Antriebs vereinfacht und die Steuerung des Schiffes erleichtert. Zwischen dem zylindrischen Druckgehäuse 1 und der Bodenplatte 3 besteht abweichend vom Stand der Technik keine mechanische Verbindung. Es besteht vielmehr ein Ringspalt zwischen Druckgehäusewand und Bodenplatte 3, der weitgehend durch Dichtungen wasserdicht abgedichtet ist. Hierzu sind in einem vertikalen, zylindrischen Rand 16 Dichtungsringe 17 gehalten, die an einem den Schacht 1 im Bereich seines unteren Randes versteifenden ringförmigen, verschleißfesten und nichtrostenden Einsatz 18 anliegen. Jeder der vorgesehenen drei Dichtungsringe 17 besteht aus einem dichtenden Werkstoff, er ist ein offener Ring, der radial federt und der so relativ zu den beiden anderen Ringen eingebaut ist, daß die Stöße der drei offenen Ringe möglichst klein, aber obendrein noch in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, so daß der Stoß des mittleren Ringes hinter einem nicht unterbrochenen Abschnitt sowohl des oberhalb als auch des unterhalb von ihm liegenden Dichtungsringes liegt und obendrein ist der Stoß des obersten Ringes in Umfangsrichtung gegenüber dem Stoß des untersten Dichtungsringes versetzt. Es ist damit im Hinblick auf die Betriebsanforderungen eine optimale Labyrinthdichtung gegeben.

Der in die Bodenplatte 3 integrierte Wassereinlaß 4 ist ein nach innen weisender stulpenförmiger Leitkörper 19, der eine die Strömung begrenzende strömungsgünstige Kontur hat, und mit Rippen 20 gleichzeitig als Ansaugschutzgitter dient. Über mehrere dieser radialen Rippen 20 ist zentrisch im Einlaß 4 eine Steuerwelle 21 mit ihrem unteren Ende fest gehalten, so daß Drehbewegungen der Steuerwelle 21 in beiden Umfangsrichtungen über die Stege 20 auf die Bodenplatte 3 übertragen werden können, um die Austrittsrichtung der aus den Wasserdüsen 10 bis 12 austretenden Wasserstrahlen 13, 14, 15 verändern zu können. Die Drehbewegungen der Steuerwelle 21 werden über ein Zahnradgetriebe 22, 23 bewirkt, dessen Flansch 24 an die Abtriebswelle eines geeigneten, nicht dargestellten Stellmotors kraftübertragend angeflanscht ist. Oberes Ende der Steuerwelle 21 und Zahnradgetriebe 22, 23 sind im oberen Be­ reich eines domartigen Gehäuses 25 angeordnet, wobei das Zahnradgetriebe ein Schneckengetriebe ist, dessen Schnecke 23 mit ihrer Welle 26 aus dem Gehäuse 25 herausgeführt ist und außerhalb des Gehäuses 25 am Ende den Anschlußflansch 26 trägt. Schneckenrad 22 einerseits und Schnecke 23, Welle 26 und Flansch 24 andererseits sind in verschiedenen, zur Bildebene parallelen Ebenen angeordnet, so daß die Schnecke 23 insbesondere auf der Rückseite des Schneckenrades 22 tangential an dieses herangeführt ist und in dieses eingreift.

Zwischen dem Druckgehäuse 1 und dem domartigen Gehäuse 25 ist die Gehäusedeckplatte 27 angeordnet, die als Ringplatte mit Versteifungsrippen 27a ausgebildet ist und am Außenrand lösbar mit dem oberen Schachtrand bzw. einem diesen verstei­ fenden Horizontalflansch 28 und am Innenrand ebenfalls lös­ bar mit einem Ringflansch 29 des domartigen Gehäuses 25 ver­ bunden ist, wobei als lösbare Befestigungsmittel Schrauben­ verbindungen 30 symbolisch dargestellt sind. An der Unterseite der Gehäusedeckplatte 27 sind die Schaufeln des Leitschaufel­ kranzes 5 befestigt, wobei die Deckplatte 27 so konturiert ist, daß sie eine der Deckscheiben der Schaufelkanalbegren­ zungen ist. Die andere Deckscheibe 31 dient der unteren Begrenzung der Schaufelkanäle und endet in einem Zylinder­ abschnitt 31a, zwischen dem und der Einlaßleitkörper 19 sich ein Drahtwälzlager 32 befindet. Das Drahtwälzlager 32 ist aus einem nichtrostendem Stahl hergestellt und wird durch das umgebende Medium (Wasser) geschmiert. Sich im Medium be­ findende Fremdkörper, wie Schmutz und Sand, werden durch Filzringe 33, 34, die ebenfalls durch das Medium geschmiert werden, vom Drahtwälzlager 32 ferngehalten (Fig. 4). Es ist durch diese Anordnung keine Öl-Fettschmierung erforderlich, die Lagerung ist umweltfreundlich und wartungsfrei. Die ge­ samte Bodenplatte 3 ist um ihre Längsachse, die die Längs­ achse der Steuerwelle 21 ist, endlos steuerbar, so daß in jeder beliebigen Steuerrichtung die volle horizontale Schub­ kraft zur Verfügung steht.

Die Steuerwelle 21 ist koaxial durch die als Hohlwelle aus­ geführte Kraftübertragungswelle 35 hindurchgeführt, die unter­ halb des Getriebes 22, 23 in dem domartigen Gehäuse 25 endet und an diesem oberen Ende drehfest ein Kegelrad 36 trägt, auf das und damit die Kraftübertragungswelle 35 das Antriebs­ drehmoment für das Laufrad 2 mittels eines Gegenrades 37 und dessen aus dem domartigen Gehäuse 25 herausgeführten Welle sowie einem Kupplungsflansch 38 von einem nicht dar­ gestellten geeigneten Antriebsmotor aus übertragen wird. Die Kraftübertragungswelle 35 ist mittels zweier axial gegen­ einander versetzter Drehlager 39, 40 in einem Rohr 41 geführt, das in der Ebene des Flansches 29 in dem domartigen Gehäuse 25 an dessen unterem Ende konzentrisch gehalten ist, wobei die beiden Rohrenden und die Drehlager 39, 40 oberhalb bzw. unter­ halb dieser Ebene liegen. Unterhalb des unteren Endes des Rohres 41 ist auf der Kraftübertragungswelle 35 das Laufrad 2 mit seiner Nabe drehfest gelagert.

Der Schneckentrieb 22, 23 kann, außer der bislang üblichen elektrischen oder hydraulischen Ansteuerung auch mechanisch angesteuert werden, worin ein erfindungsbedingter Vorteil gesehen wird. Der Grund für diese Möglichkeit liegt darin, daß die Steuermomente in beiden Drehrichtungen gleich und vor allem sehr niedrig sind. Dies wird hauptsächlich ermög­ licht durch die symmetrische Anordnung der Auslaßdüsen 10 bis 12 und die erfindungsgemäß ausgeführte Abdichtung 17.

Die Abdichtung zwischen der Bodenplatte 3 und dem Druckge­ häuse 1 über die Labyrinthdichtung mit den dichtenden Kolben­ ringen 17 ermöglicht es, mit geringen Steuermomenten auszu­ kommen. Es tritt nämlich kein stick-slip-Effekt auf, bei dem die beiden gegeneinander zu bewegenden und abzudichtenden Teile Gefahr laufen würden, daß beim Stillstand die Dichtun­ gen an einem oder beiden Teilen festbacken und beim Andrehen des einen Teils mit erheblichem Drehmoment losgerissen und zerstört würden. Obwohl diese Gefahr bei der erfindungsge­ mäßen Anwendung der als offene, radial federnde "Kolbenringe" ausgeführten Dichtungsringe 17 nicht besteht, sind sie aus weitestgehend verschleißarmem Kunststoffmaterial in "offener Bauform" ausgeführt. Sie sind im eingebauten Zustand ähnlich einer Feder radial vorgespannt. Es tritt keine die Drehung des Laufrads 2 behindernde Reibungserhöhung durch den Druck in der Druckkammer 6 auf.

Montage und Demontage des gesamten Antriebs ist bei in der Schiffsstruktur verbleibendem Druckgehäuse 1 möglich, weshalb das Druckgehäuse 1 als Teil der Tragstruktur 42 des Schiffes in diese integriert werden kann.

Als Gegenlauffläche des Rotors, an der die Dichtungen 17 an­ liegen, dient der bereits genannte Einsatz 18, der als einge­ schweißter oder in sonstiger Weise, beispielsweise Einschrumpfen, befestigter Schleißring aus nichtrostendem Stahl ausgeführt ist.

Ersichtlich ist die Innenwand des Topfes bzw. Druckgehäuses 1 oberhalb des Einsatzes 18 glatt und absatzlos und bildet die Bodenplatte 3 mit Laufrad 2, Leitapparat 5, 27a, 31 und Druck­ gehäusedeckel 27 mit Rippen 27a eine Baueinheit, die auf dem oberen Ende des Druckgehäuses abgestützt und dort mit diesem lösbar verbunden ist, so daß diese Baueinheit nach dem Lösen der Verbindungen nach oben ausgebaut werden kann. Am oberen Ende ist die Baueinheit mit dem Druckgehäuse lös­ bar verbunden, während am unteren Ende mittels der Dichtungs­ ringe eine horizontal gefederte Abdichtung zum Druckgehäuse gegeben ist, wobei letztere auch angesichts unvermeidbarer Fertigungsungenauigkeiten, insbesondere Unrundheiten über lange Betriebszeit hinweg zuverlässig funktioniert.

Aus den insgesamt geschilderten Vorteilen der Anwendung der federnden, kolbenringartigen Dichtungsringe 17 ergibt sich, daß es sich hierbei um eine Lösung von erfinderischer Bedeutung handelt, die von der konkreten Ausbildung insbe­ sondere des Laufrads und der Topfpumpe unabhängig ist.

Als optimale Lösung gemäß der Erfindung wurden die drei symmetrisch zur vertikalen Durchmesserebene 16a angeordneten Druckwasseraustritte 10 bis 12 befunden. Allerdings kann gegebenenfalls auch mit der einen Auslaßdüse 11 oder dem Auslaßdüsenpaar 10, 12 auszukommen sein, solange die eine Auslaßdüse 11 oder das Auslaßdüsenpaar 10, 12 symmetrisch zur Durchmesserebene 16a angeordnet ist bzw. sind.

Claims (15)

1. Wasserstrahlantrieb für Schiffe, die zum Einsatz in flachen Gewässern bestimmt sind, wobei ein halbaxial beschaufeltes Laufrad mit vertikaler Drehachse in einem brunnenförmigen Druckgehäuse drehbar angeordnet ist, in das von oben her durch eine Deckelplatte der Antrieb für das Laufrad eingeführt ist, das unten durch eine Bodenplatte verschlossen ist, die einen konzentrisch in der Mitte angeordneten Wassereinlaß für die axiale Anströmung des Laufrades und zumindest einen flach ge­ neigten Wasserauslaß aufweist, wobei zwischen dem Aus­ trittsende der Förderkanäle des Laufrades und dem zu­ mindest einen Wasserauslaß ein Leitapparat angeordnet ist, in dem die Strömungsenergie des vom Laufrad geför­ derten Wassers weitestgehend in Druckenergie umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (3) vom brunnenförmigen Druckgehäuse (1) und dessen Deck­ platte (27) baulich getrennt ist und daß das Druckgehäuse in die Tragstruktur (42) des Schiffes als dessen Bestand­ teil integriert ist, während die Bodenplatte mit in sie integriertem Wassereinlaß (4) und dem mindestens einen Wasserauslaß (11) um die Längsachse des Druckgehäuses in beiden Umfangsrichtungen endlos drehbar ist.

2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spaltabdichtung (17, 18) zwischen dem Außen­ rand der Bodenplatte (3) und dem Druckgehäuse (1).

3. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Druckgehäuses (1) oberhalb des Bereiches der Bodenplatte (3) auf ihrer ge­ samten Länge glatt und ohne wesentliche Durchmesserver­ änderung ist, daß der Durchmesser dem Durchmesser der Bodenplatte (3) zuzüglich des von Abdichtungen (17) zu überbrückenden Spaltes ist und daß die Bodenplatte (3) mit dem Laufrad (2) und dem Leitapparat (5, 27a, 31) dem Gehäusedeckel (27, 27a) zugeordnet ist, der auf dem Druckgehäuse nach oben ausbaubar abgestützt und lösbar mit ihm verbunden ist.

4. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Wasserauslaß­ düse (11) und zwei seitliche Wasserauslaßdüsen (10, 12) symmetrisch zu einer vertikalen Durchmesserebene (16a) in die Bodenplatte (3) integriert sind.

5. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Bodenplatte (3) integrierte zentrale vertikale Wassereinlaß (4) von der strömungsgünstig ausgebildeten Innenwand eines in das Innere des Druckgehäuses (1) stulpenförmig hineinragen­ den Leitkörpers (19) begrenzt wird.

6. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Leitkörpers (19) in einem Zylinder­ abschnitt (31a) der unteren Deckplatte (31, 31a) des Leit­ apparates (5, 27a, 31) gelagert ist, dessen obere Deckplatte (27, 27a) die Deckplatte des Druckgehäuses (1) ist.

7. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die obere Deckplatte (27, 27a) eine Ring­ scheibe (27) ist, auf deren Außenseite zur Versteifung Rippen (27a) aufgesetzt sind.

8. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lagerung des Leitkörpers (19) in dem Zylinderabschnitt (31a) der unteren Deckplatte (31, 31a) des Leitapparates (5, 27a, 31) mittels eines wasserge­ schmierten Drahtlagers (32) erfolgt.

9. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Filzdichtungen (33, 34) oberhalb und unterhalb des Drahtlagers (32), die wasserdurchlässig, nicht aber schmutzdurchlässig sind.

10. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Ring­ spaltes zwischen Druckgehäuse (1) und Bodenplatte (3) durch drei offene, in sich radial federnde Dichtringe (17) erfolgt, die in einem Zylinderabschnitt (16) der Bodenplatte gehalten sind und mit Vorspannung an einer verschleißarmen korrosionsbeständigen zylindrischen Reibplatte (18) am unteren Ende des Druckgehäuses an­ liegen.

11. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ringe (17) in Umfangsrichtung so gegen­ einander versetzt eingebaut sind, daß jeder der Ringe mit seinem Stoß hinter einem durchgehenden Abschnitt des auf ihn folgenden Dichtungsrings liegt.

12. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (3) mittels im Einlaßleitkörper (19) angeordneter Radialstege (20) auf dem unteren Ende einer Steuerwelle (21) befestigt ist, die koaxial zur Längsachse des Druckgehäuses (1) durch dieses hindurchgeführt ist, durch die obere Deck­ platte (27, 27a) des Druckgehäuses hindurchgeführt ist und oberhalb der oberen Deckplatte über ein Getriebe (22, 23) an einen Steuermotor angeschlossen ist.

13. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerwelle (21) durch die als Hohl­ welle ausgebildete Kraftübertragungswelle (35) des Lauf­ rades (2) koaxial hindurchgeführt ist, die zwischen der Deckplatte (27) des Druckgehäuses (1) und dem Getriebe (22, 23) der Steuerwelle ein Getriebe (36, 37) zum Anschluß an den Antriebsmotor des Laufrades aufweist.

14. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Steuerwelle (21) und Kraftübertragungs­ welle (35) koaxial durch ein Rohr (41) hindurchgeführt sind, das in einem Flansch (29) gehalten ist, der eine konzentrische ringförmige Öffnung in der Deckplatte (27) des Druckgehäuses (1) zwischen dem Rohr und dem Innenrand der ringförmigen Deckplatte verschließt und ein domartiges Gehäuse (25) trägt, in dem die Getriebe (22, 23; 36, 37) von Steuerwelle (21) und Kraftübertragungswelle (35) angeordnet sind.

15. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kraftübertragungswelle (35) an jedem Ende des Rohres (41) in einem Drehlager (39, 40) geführt ist.