DE4033674A1 - METHOD FOR OPERATING A WATER JET DRIVE FOR WATER VEHICLES AND ARRANGEMENT FOR IMPLEMENTING THE METHOD - Google Patents
METHOD FOR OPERATING A WATER JET DRIVE FOR WATER VEHICLES AND ARRANGEMENT FOR IMPLEMENTING THE METHODInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wasserstrahlantriebs für Wasserfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.The invention relates to a method for operating a Water jet propulsion for water vehicles according to the The preamble of claim 1 and an arrangement for Implementation of the process according to the preamble of Claim 9.
Alle bekannten Wasser als Vortriebsmittel verwendenden Vortriebseinrichtungen für Wasserfahrzeuge, also sowohl Schiffspropeller unterschiedlicher Geometrie als auch sogenannte Wasserstrahlantriebe können bekanntlich nicht größeren Geschwindigkeitsbereichen so angepaßt werden, ohne daß sich dabei nachteilige Auswirkungen auf den Wirkungsgrad ergeben. Auch Verstellpropeller haben nur einen beschränkten Arbeitsbereich, wobei nur bei einer Propellerflügelstellung und einem Propellerdrehzahl/Fortschrittsgrad-Verhältnis der beste Wirkungsgrad über die gesamte Propellerflügeler streckung erreicht werden kann.Using all known water as propulsion Jacking devices for watercraft, both Ship propellers of different geometries as well As is known, so-called water jet drives cannot larger speed ranges can be adjusted without that there are adverse effects on efficiency surrender. Variable pitch propellers also have only a limited number Work area, only with a propeller blade position and a propeller speed / progress ratio best efficiency over the entire propeller wing extension can be achieved.
Gegenüber einem Schiffspropeller, der eine sich mit der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges ändernde, sonst aber nicht beeinflußbare Zuströmgeschwindigkeit verarbeiten muß, hat ein Wasserstrahlantrieb den Vorteil, daß für die das Wasser beschleunigende Pumpe eine in allen Fahrbereichen und allen Pumpendrehzahlen optimale Anströmung der Pumpen- Schaufelprofile und damit Betriebspunkte bester Wirkungsgrade erzielt werden kann, wenn die durchsatzbestimmende Düse des Wasserstrahlantriebes so ausgebildet wird, daß sich deren wirksamer Austritts-Querschnitt während des Betriebes verändern läßt.Opposite a ship propeller, the one dealing with the Vessel speed changing, but otherwise inflow speed which cannot be influenced, has the advantage of a water jet that for that Water accelerating pump in all driving ranges and optimal flow to the pump at all pump speeds Blade profiles and thus operating points of the best efficiency can be achieved if the flow-determining nozzle of the Water jet drive is designed so that their effective cross-section of the outlet during operation can change.
Hierzu ist es bekannt, den Austrittsquerschnitt einer zylindrischen Düse mittels eines einstellbaren, sich der Kontur anpassenden flexiblen Bauteiles, zu verändern.For this purpose, it is known to have the outlet cross section cylindrical nozzle by means of an adjustable, the To adapt the contour of the flexible component.
Hierbei wird von einer bezüglich des Düsenwirkungsgrades optimalen Düsenaustrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahles, einer sich mit der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs ändernden Anströmgeschwindigkeit der Pumpe und von einem sich damit in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit verändernden Durchsatz ausgegangen; vgl. GB-PS 10 63 945.Here, one is related to the nozzle efficiency optimal jet exit speed of the water jet, one with the speed of the watercraft changing flow velocity of the pump and of itself thus changing depending on the driving speed Throughput out; see. GB-PS 10 63 945.
Eine andere Lösung sieht vor, die Steuerklappen eines Wasserstrahlantriebes um je eine senkrechte Achse gegensinnig schwenkbar zu lagern, die der Strahlaustrittsöffnung einer Radialpumpe nachgeschaltet sind, wobei durch die Steuerklap pen der Düsenquerschnitt gemäß der GleichungAnother solution provides for the control flaps one Water jet drive in opposite directions around a vertical axis pivotable to support the beam outlet opening Radial pump are connected downstream, through the control valve pen the nozzle cross section according to the equation
verändert werden soll, wobei
A = Düsenquerschnitt (in square inches) und
H = Leistung der Antriebsmaschine (in horse power) ist; vgl.
US-PS 30 55 175.should be changed, whereby
A = nozzle cross section (in square inches) and
H = horse power; see. U.S. Patent 30 55 175.
Dieser mathematische Ansatz führt jedoch zu unbrauchbaren Regelbedingungen, da - wie sich zeigen läßt - über die Antriebsleistung nicht ein bestimmter Punkt im Pumpenkennfeld beschrieben ist, sondern eine Kurve unterschiedlicher Durchsatzmengen und damit auch unterschiedlicher Düsenquer schnitte. However, this mathematical approach leads to useless Control conditions, since - as can be shown - via the Drive power is not a specific point in the pump map is described, but a curve different Flow rates and thus also different nozzle cross cuts.
Eine zweite Forderung bei wasserstrahlbetriebenen Wasserfahr zeugen bezieht sich auf die Möglichkeit zu Trimmen, was grundsätzlich durch eine vertikale Umlenkung des Treibstrah les erzielbar ist. Für die optimale Fahrweise eines Wasserfahrzeuges bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und damit in Längsrichtung unterschiedlichen Auftriebsschwerpunk ten des Wasserfahrzeuges ist - wie die Erfahrung gezeigt hat - die als Trimmung bekannte Veränderung der Vertikal komponente des erzeugten Schubes vorteilhafter als eine Trimmung durch einen zusätzlichen Widerstand erzeugende Trimmklappen.A second requirement for water jet powered water travel witness refers to the ability to trim what basically by a vertical deflection of the jet les is achievable. For the optimal driving style Watercraft at different speeds and thus different buoyancy focus in the longitudinal direction of the watercraft is - as experience has shown has - the change in vertical known as trimming component of the thrust generated more advantageous than one Trim through an additional resistance-generating Trim tabs.
Bei sogenannten Außenbordern und Z-Drives wird dies durch Veränderung des Winkels der Propellerachse zum Wasserfahrzeug erzielt. Diese Anstellwinkeländerung ergibt jedoch eine unterschiedliche Schräganströmung der Propellerflügel und somit die daraus folgenden bekannten Nachteile.In the case of so-called outboards and Z drives, this is done by Change the angle of the propeller axis to the watercraft achieved. However, this change in the angle of attack results in a different inclined flow of the propeller blades and hence the known disadvantages resulting therefrom.
Bei Wasserstrahlantrieben ist es hierzu bekannt, dem Austrittsende des Wasserstrahlantriebs als Zylindermantelab schnitte ausgebildete von sektorenförmigen Wangen gehaltene Steuerklappen zuzuordnen, die in einem Gehäuse, das mittels Traversen durchsetzende 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.In water jet drives, it is known for this purpose Exit end of the water jet drive as a cylinder jacket cuts formed by sector-shaped cheeks Assign control flaps in a housing that means Bearing bolts passing through the crossbars on the pump housing a vertical axis is pivoted by one to store the horizontal axis pivoting in opposite directions; see. DE-OS 26 44 743.
Auch ist es bekannt, der Steuereinrichtung eines solchen Wasserstrahlantriebs eine Düse mit Steuerklappen mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt zuzuordnen, die im Bereich der Strahlaustrittsöffnung der Düse zwei gleichsinnig kreisbogenförmige Steuerklappen unterschiedlicher Radien besitzt; vgl. DE-OS 37 00 530.8.It is also known to control such Water jet drive a nozzle with control flaps with in assign a substantially rectangular cross-section, which in Area of the jet outlet opening of the nozzle two in the same direction arc-shaped control flaps of different radii owns; see. DE-OS 37 00 530.8.
Alle diese Steuerungen haben die Eigenart, daß entweder eine nur nach einer vertikalen Richtung mögliche Strahlablenkung mit einer damit gekoppelten gleichzeitigen und nicht gesondert beeinflußbaren Verminderung der Düsenaustritts fläche oder aber eine vertikalte Strahlablenkung nach oben und unten ohne Veränderung des Düsenquerschnittes möglich ist.All of these controls have the peculiarity that either one possible beam deflection only in a vertical direction with a coupled simultaneous and not separately controllable reduction of the nozzle outlet surface or a vertical beam deflection upwards and possible below without changing the nozzle cross-section is.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens für eine manuelle oder automatische Regelung des Düsenaustrittsquer schnittes unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit und der als deren Folge am Düsenaustrittsquerschnitt anstehenden unterschiedlichen Drücke anzugeben, das einen Betrieb der das Wasser beschleunigenden Pumpe im Bereich der optimalen Wirkungsgrade im gesamten Betriebsbereich gewährleistet und durch eine gesteuerte vertikale Ablenkung des Treibstrahles auch eine Trimmung des Wasserfahrzeuges gestattet, wobei ferner eine weitgehende Schubumkehr für die Rückwärtsfahrt und für den Bremsvorgang ermöglicht wird, und daß die Anordnung auch im Schleppbetrieb, also bei ausgefallener Antriebseinrichtung - Antriebsmotor und/oder Pumpe - noch einen brauchbaren Steuerdruck erzeugen soll.The invention has for its object a method and an arrangement for performing the method for a manual or automatic control of the nozzle exit cross cut regardless of driving speed and as whose sequence is pending at the nozzle outlet cross section to indicate different pressures that an operation of the Water accelerating pump in the area of optimal Guarantees efficiencies in the entire operating range and through a controlled vertical deflection of the driving jet also allows the watercraft to be trimmed, whereby also a large reversal of thrust for the reverse drive and for the braking process is enabled, and that the Arrangement also in towing mode, i.e. in the event of a failure Drive device - drive motor and / or pump - still should generate a usable control pressure.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und für die Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 9 gelöst.This object is achieved according to the invention for the method the characterizing features of claim 1 and for the arrangement by the characteristic features of the Claim 9 solved.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further features of the invention result from the Subclaims.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein optimaler Betrieb hinsichtlich Schub und Wirkungsgrad des Wasserstrahl antriebes in allen Betriebsbereichen bezüglich Drehzahlen und Fahrgeschwindigkeiten erreicht, da über den veränderbaren wirksamen Düsenquerschnitt "Fw" unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit "w" in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl "n" der zugehörige Wasserdurchsatz "Q" eingeregelt wird. The method according to the invention makes an optimal one Operation in terms of thrust and efficiency of the water jet drive in all operating areas with regard to speeds and Driving speeds reached because of the changeable effective nozzle cross section "Fw" regardless of the Driving speed "w" depending on the pump speed "n" the associated water flow "Q" is adjusted.
Hierzu werden vorteilhafterweise als Regelsignal eine, dem Durchsatz "Q" proportionale Geschwindigkeit "vx" oder der zugehörige dynamische Druck "pdynx" an einem geeigneten Ort "x" innerhalb des Strömungskanals als Regelkriterium für den einzuregelnden Düsenaustrittsquerschnitt "F" herangezogen, benutzt undFor this purpose, a, the Throughput "Q" proportional speed "vx" or the associated dynamic pressure "pdynx" in a suitable place "x" within the flow channel as a control criterion for the used nozzle outlet cross section "F", used and
konstant gehalten, wobei "vx*" die Strömungsgeschwindigkeit und "pdynx*" der zugehörige dynamische Druck "pdyn" an der Meßstelle "x" im Betriebspunkt optimalen Wirkungsgrades bei dem Durchsatz "Q*" und der Auslegungsdrehzahl "n*", und die Geschwindigkeit "vx" beziehungsweise deren dynamischer Druck "pdynx" den Meßwert bei der augenblicklichen Pumpendrehzahl "n" und dem einzuregelnden Durchsatz "Q" bedeuten.kept constant, where "vx *" is the flow velocity and "pdynx *" the associated dynamic pressure "pdyn" on the Measuring point "x" at the operating point for optimum efficiency the throughput "Q *" and the design speed "n *", and the Speed "vx" or its dynamic pressure "pdynx" the measured value at the current pump speed "n" and the throughput to be regulated mean "Q".
Die Werte "pdynx" und "n" bzw. vx können als Regelsignal entweder einem Rechner und zugehöriger automatischer Regeleinrichtung zugeführt oder in geeigneter Form für eine manuelle Einregelung des Optimums angezeigt werden.The values "pdynx" and "n" or vx can be used as control signals either a computer and associated automatic Control device supplied or in a suitable form for a manual adjustment of the optimum are displayed.
Ebenso erlaubt die Erfindung die Vertikalkomponente des wirksamen Wasserstrahls und damit die Trimmung automatisch durchzuführen, wobei für die hierzu notwendige Betätigung der Klappen die Abweichung vom Sollwert der Neigung des Wasserfahrzeugs um die Querachse bei einem Wasserstrahlan trieb und/oder auch um die Längsachse bei Einsatz von zwei oder mehreren Wasserstrahlantrieben an dem Wasserfahrzeug durch geeignete Sensoren erfaßt und der Regelung in geeigneter Signalform zugeführt werden.The invention also allows the vertical component of the effective water jet and thus the trim automatically perform, for the necessary actuation of the Fold the deviation from the target value of the inclination of the Watercraft around the transverse axis with a water jet driven and / or around the longitudinal axis when using two or more water jet drives on the watercraft detected by suitable sensors and the control in suitable signal form are supplied.
Eine solche Anordnung besitzt entscheidende Vorteile gegenüber der üblichen passiven Steuerung durch Trimmklappen oder durch verstellbare Flügel bei Tragflügelbooten oder ähnlichen Wasserfahrzeugen mit vollgetauchten Tragflügeln oder Auftriebskörpern, die einen zusätzlichen Fahrtwiderstand erzeugen, deren Wirksamkeit stark von der Fahrgeschwindigkeit abhängt und die eine gewünschte Trimmung zum Ausgleich eines durch starken Seegang erzeugten Stampfens oder Gierens wegen der in solchen Fällen nur zulässigen niedrigen Fahrgeschwin digkeit ungenügend oder gar nicht erzielen können.Such an arrangement has decisive advantages compared to the usual passive control by trim tabs or by adjustable wings on hydrofoils or similar watercraft with fully submerged wings or buoyancy bodies that provide additional driving resistance generate whose effectiveness strongly depends on the driving speed depends on and the desired trim to compensate for one stomping or yawing caused by heavy seas the low driving speed which is only permissible in such cases insufficient or not at all.
Die erfindungsgemäße Düse weist einen fertigungstechnisch leicht zu beherrschenden zumindest teilweise rechteckigen Querschnitt auf und erlaubt zur Durchführung des Verfahrens neben einer wirkungsvollen Veränderung des Düsenquerschnittes durch Veränderung der Stellung der beiden Steuerklappen zueinander auch eine durch die gleichzeitige gleichsinnige Verstellung der beiden Klappen mögliche Veränderung der Vertikalkomponente des wirksamen Schubes. Ferner ist durch das mögliche Absenken der vorderen Lagerung der unteren Klappe eine nahezu vollständige Schubumkehr möglich.The nozzle according to the invention has a manufacturing technology easy to control at least partially rectangular Cross section on and allowed to carry out the procedure in addition to an effective change in the nozzle cross-section by changing the position of the two control flaps to each other also through the simultaneous same-minded Adjustment of the two flaps possible change in Vertical component of the effective thrust. Furthermore is by the possible lowering of the front bearing of the lower one Flap almost complete reversal of thrust possible.
Weiter ist durch das erfindungsgemäß mögliche Absenken des vorderen Endes der unteren Klappe eine Bypaßöffnung innerhalb der Düse geschaffen, so daß infolge der auf diese Weise entstehenden Injektorwirkung eine Vergrößerung der beschleunigten Wassermasse mit geringerer Austrittsgeschwin digkeit aus der Düse entsteht, die besonders bei geringer Wassertiefe in Häfen oder auf Flüssen die Aufwühlung des Grundes vermindert und vorteilhafterweise im Bereich niedriger Geschwindigkeiten zu einer Verbesserung des Strahlwirkungsgrades und des Schubes genutzt wird.Furthermore, by lowering the front end of the lower flap has a bypass opening inside created the nozzle so that as a result of this resulting injector effect an increase in accelerated water mass with lower outlet speed density arises from the nozzle, especially at low Water depth in ports or on rivers the agitation of the Reason reduced and advantageously in the area lower speeds to improve the Beam efficiency and thrust is used.
Der auf diese Weise erzeugte wasserführende Bypaß kann zudem auch im Schleppbetrieb als Passivruder benutzt werden und hierbei brauchbare Steuerkräfte erzeugen. The water-carrying bypass generated in this way can also can also be used as a passive rudder in towing and generate usable taxpayers.
Da das die Düse tragende Bauteil als Gehäuse ausgebildet und um eine senkrechte Achse verschwenkbar gelagert ist, wobei diese Achse gegen die Senkrechte geneigt sein kann, ist eine Kurvenfahrt leicht und sicher durchführbar. Mit dem Gehäuse sind alle Teile der Steuerung, welche die Querschnittsände rung der Düse, die vertikale Schubumlenkung und die Schubumkehr für Rückwärtsfahrt erzeugen, mittelbar oder unmittelbar verbunden, was zu einer einfachen und betriebs sicheren sowie leistungsfähigen Ausbildung des Wasserstrahl antriebes führt.Since the component supporting the nozzle is designed as a housing and is pivotally mounted about a vertical axis, wherein this axis can be inclined against the vertical is one Easy and safe cornering. With the housing are all parts of the control, which are the cross-sectional edges nozzle, the vertical thrust deflection and the Generate reverse thrust, indirect or directly connected, resulting in a simple and operational safe and efficient training of the water jet drive leads.
Da dem Gehäuse mindestens zwei Klappen zugeordnet sind, wobei eine als Zylinderschalensegment und die zweite als zweifach gelagerte untere Klappe ausgebildet ist, und ein unveränder barer Abstand des vorderen Lagers der unteren Klappe zu dem unteren Ende der oberen Klappe durch Laschen oder ähnliche Bauteile sichergestellt wird, kann die obere Klappe am unteren Ende eine entgegengesetzt gewölbte Fläche besitzen, die als obere Begrenzung des Düsenquerschnittes dient. Dies ist sehr vorteilhaft, da durch gleichzeitiges Schließen des Strömungsquerschnittes an der Vorderkante der unteren Steuerklappe im Bereich der Lager und an der Hinterkante zwischen den zugewandten Flächen von unterer und oberer Klappe der Wasserkanal des gesamten Wasserstrahlantriebes von der Austrittseite her verschließbar ist, so daß eine Durchströmung und/oder Beschädigung der inneren Pumpenteile bei Stillstand des Antriebes während der Liegezeiten im Hafen mit Sicherheit vermieden wird.Since at least two flaps are assigned to the housing, whereby one as a cylinder shell segment and the second as a double stored lower flap is formed, and an unchanged distance between the front bearing of the lower flap and the lower end of the upper flap by tabs or the like Components is ensured, the upper flap on have an oppositely curved surface at the lower end, which serves as the upper limit of the nozzle cross section. This is very advantageous because by simultaneously closing the Flow cross-section on the front edge of the lower Control flap in the area of the bearings and on the rear edge between the facing surfaces of the lower and upper Flap the water channel of the entire water jet drive from the exit side is closable, so that a Flow and / or damage to the inner pump parts when the drive is at a standstill in the port is definitely avoided.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. The invention is based on several in the Drawing more or less schematically shown Described embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Pumpenkennfeld mit Linien konstanter Drehzahl, Drossellinien konstanten Düsenquer schnittes und die infolge des im Einlauf zurückgewonnenen Teiles der Geschwindigkeitshöhe sich ergebenden Düsen- und Pumpen-Betriebs punkte, Fig. 1 is a pump characteristic map with lines of constant rotational speed, throttle lines of constant nozzle cross section, and as a result of the recovered in the inlet part of the velocity head resulting nozzle and pump operation of dots,
Fig. 2 eine Parallelprojektion einer Steuereinheit für die Düse eines Wasserstrahl-Reaktionsantriebs gemäß der Erfindung, Fig. 2 is a parallel projection of a control unit for the nozzle of a water jet propulsion reaction according to the invention,
Fig. 3 einen Schnitt durch die schematische Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in "geschlossener Stellung für Stillstandzeiten", Fig. 3 a section through the nozzle schematic of FIG. 2 with the associated control valves in a "closed position for downtime"
Fig. 4 einen Schnitt durch die schematische Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Langsamfahrt mit horizontaler Umlenkung nach unten zur Verringerung der Aufkimmung", Fig. 4 is a section through the nozzle schematic of FIG. 2 with the associated control valve is in the "slow travel with a horizontal deflection downwards to reduce the deadrise"
Fig. 5 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Langsamfahrt mit durch Injektorwirkung vergrößerter Wassermenge geringerer Geschwindigkeit" zugleich auch Stellung der Steuerklappen als "Passivruder", Fig. 5 is a section through the schematically illustrated nozzle of FIG. 2 with the associated control valves in the "lower slow travel with increased by injector amount of water velocity" at the same time position of the control flaps to as "passive rudder"
Fig. 6 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Schnellfahrt mit verringerter Düsenfläche und horizontaler Umlenkung nach oben = positives Aufkimm-Moment", Fig. 6 is a section through the schematically illustrated nozzle of FIG. 2 with the associated control valve is in the "high-speed travel with reduced nozzle surface and horizontal deflection upward = positive-Aufkimm moment"
Fig. 7 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Schnellfahrt mit verringerter Düsenfläche und horizontaler Umlenkung nach unten (negatives "Aufkimm- Moment")", Fig. 7 is a section through the schematically illustrated nozzle of FIG. 2 with the associated control valve is in the "high-speed travel with reduced nozzle surface and horizontal deflection downward (negative" Aufkimm- moment ")",
Fig. 8 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten Steuer klappen in der Stellung "Rückwärtsfahrt und Bremsen", Fig. 8 shows a section through the schematically illustrated nozzle of FIG. 2 with the associated control flaps in the "reverse driving and braking"
Fig. 9 eine in Parallelprojektion schematisch darge stellte weitere Steuerdüse mit zwei an beiden Enden verstellbaren Klappen in einem um die senkrechte Achse schwenkbaren Düsenkörper in der Stellung für "Langsamfahrt mit negativem Trimmoment", Fig. 9 is a parallel projection in schematically Darge provided further steering with two adjustable flaps at both ends in a pivotable about the vertical axis of the nozzle body in the position for "slow travel with negative Trimmoment"
Fig. 10 eine Düse gemäß Fig. 9 in der Stellung "Bremsen und Rückwärtsfahrt", Fig. 10 is a nozzle according to Fig. 9 in the "brakes and reverse travel"
Fig. 11 eine Düse gemäß Fig. 9 in der Stellung "Lang samfahrt mit durch Injektorwirkung vergrößerter Wassermenge geringerer Geschwindigkeit", Fig. 11 is a nozzle according to Fig. 9 in the "long-samfahrt with increased by injector amount of water lower speed"
Fig. 12 eine in Parallelprojektion schematisch darge stellte weitere Steuerdüse mit zwei an beiden Enden verstellbaren Klappen in einem um die horizontale Achse schwenkbaren Düsenkörper in der Stellung "Fahrt bei geringer Geschwindigkeit in einer Rechtskurve", Fig. 12 is a parallel projection in schematically Darge provided further steering with two adjustable flaps at both ends in a pivotable about the horizontal axis of the nozzle body in the position "drive at low speed in a right curve"
Fig. 13 eine Düse gemäß Fig. 12 in der Stellung "Schnellfahrt mit positivem Trimm entsprechend einem positiven Aufkimmoment", Fig. 13 is a nozzle according to Fig. 12 is in the "high-speed travel with a positive trim corresponding to a positive Aufkimmoment"
Fig. 14 eine Düse gemäß Fig. 12 in der Stellung "Rück wärtsfahrt oder Bremsen" und Fig. 14 is a nozzle according to FIG. 12 in the position "reverse travel or braking" and
Fig. 15 ein Regelschema für Wasserstrahlantriebe gemäß der Erfindung. Fig. 15 is a control scheme for water jet propulsion systems according to the invention.
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern seien vorab die theoretischen Zusammenhänge erläutert.In order to facilitate the understanding of the invention, let us know in advance the theoretical relationships are explained.
Wie bekannt, verändert sich mit steigender Geschwindigkeit w des Fahrzeuges die durch die Düse des Wasserstrahlantriebes von der Fläche F durchströmende Wassermenge Qw nach:As is known, w changes with increasing speed of the vehicle through the nozzle of the water jet drive amount of water Qw flowing through surface F according to:
wobei Hp die Pumpenförderhöhe, hw die Geschwindigkeitshöhe des Fahrzeuges:where Hp is the pump head, hw is the speed head of the vehicle:
hw = w²/2 g (2)hw = w² / 2 g (2)
und den ξ-Anteil der Geschwindigkeitshöhe bezeichnet, der im Einlauf der Pumpe durch vorteilhafte Ausbildung des Saug mundes und des Diffusors zurückgewonnen werden kann.and denotes the ξ-part of the speed level, which in Inlet of the pump through advantageous suction design mouth and the diffuser can be recovered.
In der Fig. 1 ist in der üblichen Darstellung eines Pumpen kennfeldes mit der Pumpenförderhöhe H auf der Ordinate 1 und dem Pumpendurchsatz Q auf der Abszisse 2 die Pumpenkennlinie 3 konstanter Drehzahl ohne Geschwindigkeitsrückgewinn (iden tisch mit der Pumpenkennlinie bei der Fahrgeschwindigkeit w = 0) und die Pumpenkennlinie 4 mit Geschwindigkeits rückgewinn 9, die Drossellinie 5 für den optimalen Standschub 6 und die Drossellinie 7 für den optimalen Schub 8 bei der Auslegungsgeschwindigkeit w.In Fig. 1 is in the usual representation of a pump map with the pump head H on the ordinate 1 and the pump throughput Q on the abscissa 2, the pump characteristic 3 constant speed without speed recovery (identical to the pump characteristic at the driving speed w = 0) and the pump characteristic curve 4 with speed recovery 9 , the throttle line 5 for the optimal standing thrust 6 and the throttle line 7 for the optimal thrust 8 at the design speed w.
Bei Stillstand, also einer Fahrgeschwindigkeit w = 0 ent spricht der Pumpenbetriebspunkt 10 zugleich dem Düsenbe triebspunkt. Bleibt der Düsenquerschnitt unverändert, so wandert mit steigender Fahrgeschwindigkeit w geschwindig keitsbedingt wegen des an der Düse um den Wert 9 = ξ·w²/2 g anstehenden höheren Druckes der Betriebspunkt zu dem neuen Düsenbetriebspunkt 11 und folglich zu dem Pumpenbetriebspunkt 12 entsprechend der Charakteristik der Drehzahlkennlinie 3 in ein Gebiet geringerer Pumpenförderhöhen und schlechterer Wirkungsgrade der Pumpe, so daß nun nur der geringere Schub 13 erreicht werden kann.At standstill, ie a driving speed w = 0, the pump operating point 10 also speaks the nozzle operating point. If the nozzle cross-section remains unchanged, the operating point moves to the new nozzle operating point 11 and consequently to the pump operating point 12 in accordance with the characteristic of the speed characteristic curve due to the higher driving pressure w due to the higher pressure at the nozzle by the value 9 = ξ · w² / 2 g 3 in an area of lower pump delivery heights and poorer pump efficiency, so that now only the lower thrust 13 can be achieved.
Aus der Formel (1) und der Fig. 1 ist klar ersichtlich, daß mit steigender Fahrgeschwindigkeit "w" und größerem Geschwindigkeitsrückgewinn der die Drossellinie bestimmende Düsenquerschnitt "F" auf die Größe "Fw" verkleinert werden muß, um die Förderhöhen/Durchsatzcharakteristik der Drossellinie 5 zur Drossellinie 7 und den Düsenbetriebspunkt 11 zum Düsenbetriebspunkt 14 zu verlagern, damit der Durchsatz 15 des Wirkungsgradbestpunktes 10 der Drehzahlkenn linie 3 der Pumpe und der höchstmögliche Schub 8 erzielt wird.From the formula (1) and Fig. 1 it can be clearly seen that with increasing vehicle speed "w" and greater speed recovery, the nozzle cross-section determining the throttle line "F" must be reduced to the size "Fw" by the delivery head / throughput characteristic of the throttle line 5 to the throttle line 7 and the nozzle operating point 11 to the nozzle operating point 14 so that the throughput 15 of the efficiency point 10 of the speed characteristic line 3 of the pump and the highest possible thrust 8 is achieved.
Wird dagegen der Düsenquerschnitt "F" für den Höchstschub 8 bei der angestrebten Höchstgeschwindigkeit "w" mit "Fw" ausgeführt kann nur ein gegenüber dem leistungsbedingten größtmöglichen Standschub 6 geringerer Standschub 17 entsprechend der Drossellinie 7 erreicht werden.If, on the other hand, the nozzle cross section "F" for the maximum thrust 8 is carried out at the desired maximum speed "w" with "Fw", only a lower thrust 17 corresponding to the throttle line 7 can be achieved compared to the largest possible thrust 6 which is related to the performance.
Diese Kriterien gelten natürlich für den gesamten Drehzahlbe reich der Pumpe, da für alle Punkte der Parabel 5 durch den Optimalpunkt 10 die gleichen optimalen Strömungsverhältnisse innerhalb der Pumpenbeschaufelung herrschen.These criteria naturally apply to the entire speed range of the pump, since the same optimal flow conditions prevail within the pump blading for all points of the parabola 5 through the optimum point 10 .
Wird also ein optimaler Betrieb - Schub und Wirkungs grad - eines Wasserstrahlantriebes in allen Betriebsbereichen - Drehzahlen und Fahrgeschwindigkeiten - angestrebt, muß über den wirksamen Düsenquerschnitt "Fw" unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit "w" stets in Abhängigkeit der Pumpendreh zahl "n" der zugehörige Wasserdurchsatz "Q" eingeregelt werden. DaSo it becomes an optimal operation - thrust and impact degree - a water jet drive in all areas of operation - Speeds and driving speeds - aimed, must be about the effective nozzle cross section "Fw" regardless of the Driving speed "w" always depends on the pump rotation number "n" the associated water flow "Q" adjusted will. There
ist, kann der dem Durchsatz Q proportionale dynamische Druck pdynx an einer beliebigen Stelle konstanten Querschnittes und konstanter Strömungsrichtung innerhalb der Pumpe bzw. des Strömungskanals gewählt werden.is the dynamic pressure proportional to the flow Q. pdynx at any point of constant cross section and constant flow direction within the pump or Flow channel can be selected.
Wird im gewählten optimalen Kennfeldpunkt 10 ein Durchsatz Q* bei der Drehzahl n* erreicht, ist folglich im Meßquerschnitt Fx eine Strömungsgeschwindigkeit vx* und damit der dynamische Druck pdynx* vorhanden. Somit kann für das Regelkriterium Q*/n* auch vx*/n* oder angesetzt werden.If a throughput Q * is reached at the speed n * in the selected optimal map point 10 , a flow velocity vx * and thus the dynamic pressure pdynx * is consequently present in the measuring cross section Fx. Thus, vx * / n * or can also be used for the control criterion Q * / n *.
Damit kann geschrieben werden:It can be used to write:
oder für den einzuregelnden dynamischen Druckor for the dynamic pressure to be regulated
Hierbei bedeutet "pdynx*" den dynamischen Druck im Meßquerschnitt "Fx" im Betriebspunkt (10) optimalen Wirkungsgrades bei der Auslegungsdrehzahl "n*" (3) und dem Durchsatz "Q*", der Druck "pdynx" den Meßwert bei der augenblicklichen Pumpendrehzahl "n".Here "pdynx *" means the dynamic pressure in the measuring cross section "Fx" at the operating point ( 10 ) optimum efficiency at the design speed "n *" (3) and the throughput "Q *", the pressure "pdynx" the measured value at the current pump speed "n".
Nunmehr sei ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 2 beschrieben, wobei lediglich die zur Erfindung gehörenden Teile dargestellt sind. Von dem in Vorausrichtung an einem Wasserfahrzeug angeordneten Strömungskanal mit einem eine Ansaugöffnung aufweisenden 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 ist daher lediglich das hintere Ende des Pumpenkörpers 18 gezeigt. Der Pumpenkörper weist einen etwa kreisringförmigen Querschnitt auf und geht stromab in eine durch einen Düsenkörper 19, eine obere Klappe 20 und eine untere Klappe 21 gebildete Düse D über.An exemplary embodiment for carrying out the method according to the invention will now be described with reference to FIG. 2, only the parts belonging to the invention being shown. Of the flow channel arranged in the forward direction on a watercraft with an inlet having an intake opening at its front end, a pump downstream of the inlet in its central region for drawing in and accelerating water, and a nozzle at the jet outlet opening at its rear end is therefore only the rear End of the pump body 18 shown. The pump body has an approximately circular cross section and merges downstream into a nozzle D formed by a nozzle body 19 , an upper flap 20 and a lower flap 21 .
Der Düsenkörper 19 ist in der nur teilweise dargestellten Schwenkachse 22 am Pumpenkörper schwenkbar gelagert und durch die nicht näher dargestellte Schwenkeinrichtung 37 im Winkel zur Pumpenachse vertikal verstellbar.The nozzle body 19 is pivotally mounted on the pump body in the pivot axis 22, which is only partially shown, and is vertically adjustable at an angle to the pump axis by means of the pivot device 37 ( not shown in any more detail).
Die Stirnseite 23 des Düsenkörpers 19 ist kreisbogenförmig ausgebildet. Die Unterseite des Düsenkörpers ist offen und durch die untere Klappe 21 verschlossen. Die mittels Lageraugen 27 und 32 beweglich gelagerte Klappe 21 bildet so die untere Begrenzung des Strömungskanals und der Düse. Die untere Klappe 21 weist ferner seitliche Wangen 24 auf, die zur Führung der Klappe 21 im Düsenkörper 19 und zur seitlichen Begrenzung des Wasserstrahles bei Rückwärtsfahrt dienen.The end face 23 of the nozzle body 19 is designed in the form of a circular arc. The underside of the nozzle body is open and closed by the lower flap 21 . The flap 21 movably supported by means of bearing eyes 27 and 32 thus forms the lower boundary of the flow channel and the nozzle. The lower flap 21 also has lateral cheeks 24 which serve to guide the flap 21 in the nozzle body 19 and to limit the water jet laterally when reversing.
Die obere Klappe 20 ist um eine Schwenkachse 25 in Lageraugen 25′ des Düsenkörpers 19 drehbar gelagert und durch eine an einer Lagerung 31 angreifenden und andererseits am Düsenkörper 19 schwenkbar in einem Lagerauge 38 gelagerten Verstelleinrichtung 26 verstellbar. Ferner sind zwei Verstelleinrichtungen 33 zwischen den Lageraugen 32 der unteren Klappe und dem Lagerauge 31 der oberen Klappe 20 vorgesehen. The upper flap 20 is rotatably mounted about a pivot axis 25 in bearing eyes 25 'of the nozzle body 19 and adjustable by an engaging on a bearing 31 and on the other hand on the nozzle body 19 pivotally mounted in a bearing eye 38 adjusting device 26 . Furthermore, two adjusting devices 33 are provided between the bearing eyes 32 of the lower flap and the bearing eye 31 of the upper flap 20 .
Die untere Klappe 21 besitzt an ihrem vorderen Ende Lager 27, in denen die aus der angedeuteten Verstelleinrichtung 28, den Winkelhebeln 39 und dem Gestänge 40 bestehende Ausschwenkvor richtung eingreift, mit der die untere Klappe an diesem Ende abgesenkt werden kann. Auf dem Lager 27 sind Abstandslaschen 29 angeordnet, die mit ihren anderen Enden an der oberen Klappe 20 in den Lagern 30 drehbeweglich angelenkt sind.The lower flap 21 has at its front end bearing 27 , in which the existing adjustment mechanism 28 , the angle levers 39 and the linkage 40 engages direction with which the lower flap can be lowered at this end. Spacer tabs 29 are arranged on the bearing 27 , the other ends of which are pivoted on the upper flap 20 in the bearings 30 .
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende.The operation of the arrangement described is as follows.
Mittels der einerseits an der oberen Klappe 20 an dem als Lagerung dienenden Befestigungsauge 31 und andererseits in den ebenfalls als Lagerung dienenden Befestigungsaugen 32 am hinteren Ende der unteren Klappe 21 gelagerten Betätigungs einrichtungen 33 ist der wirksame Düsenquerschnitt durch Veränderung des Spaltes 34 zwischen der unteren kreisbogen förmigen Fläche 35 der oberen Klappe 20 und der hinteren Kante 36 der unteren Klappe 21 veränderbar. Bei unveränderter Stellung der Betätigungseinrichtung 33 wird durch die Betätigungseinrichtung 26 die untere Klappe 21 gleichzeitig mit der oberen Klappe 20 verstellt und so mit gleichbleiben dem Spalt 34 und somit gleichbleibendem Düsenquerschnitt nur eine vertikale Richtungsänderung des austretenden Wasser strahles erzeugt. In der Endstellung von 33 wird ein vollständiges Schließen des Spaltes 34 durch unmittelbare Auflage der Fläche 41 der unteren Klappe 21 an der kreisbogenförmigen Fläche 35 der oberen Klappe 20 erzielt. Auf diese Weise kann bei Liegezeiten im Hafen der Düsenquer schnitt und damit der Strömungskanal zumindest einseitig geschlossen werden, so daß eine Verschmutzung weitestgehend vermieden wird.By means of the one hand on the upper flap 20 on the mounting eye 31 serving as storage and on the other hand in the mounting eyes 32 also serving as storage at the rear end of the lower flap 21 actuating devices 33 , the effective nozzle cross section by changing the gap 34 between the lower circular arc-shaped Area 35 of the upper flap 20 and the rear edge 36 of the lower flap 21 changeable. With the actuating device 33 in the unchanged position, the lower flap 21 is adjusted simultaneously with the upper flap 20 by the actuating device 26 and thus with a constant gap 34 and thus constant nozzle cross section, only a vertical change in direction of the emerging water jet is generated. In the end position of FIG. 33 , a complete closing of the gap 34 is achieved by the surface 41 of the lower flap 21 being directly supported on the circular surface 35 of the upper flap 20 . In this way, the cross section of the nozzle can be cut when the port is idle and the flow channel can be closed at least on one side, so that contamination is largely avoided.
In den Fig. 3 bis 8 sind die verschiedenen möglichen Stellungen der Steuerklappen 20 und 21 in bezug auf den als Strömungskanal dienenden Düsenkörper 19 und die damit erzeugten Abströmrichtungen des Treibstrahles sowie die Absenkung der Klappe 21 schematisch dargestellt. In FIGS. 3 to 8 the various possible positions of the control valves 20 and 21 with respect to the flow channel serving as a nozzle body 19 and the Abströmrichtungen produced thereby of the drive beam and the lowering of the flap 21 are shown schematically.
In der Fig. 5 ist die "Bypaßstellung" der Düse dargestellt, wobei der im Querschnitt 42 strömende Treibstrahl mit der Geschwindigkeit 43 der durch den Bypaßquerschnitt 44 entsprechend der Fahrgeschwindigkeit 45 zuströmenden Wassermasse durch Reibung und Mischung eine gegenüber dem Treibstrahl niedrigere mittlere Austrittsgeschwindigkeit 46 im Querschnitt 34 mitteilt und so den Düsenwirkungsgrad im niedrigen Fahrgeschwindigkeitsbereich verbessert.In FIG. 5, the "Bypaßstellung" is shown of the nozzle, wherein the air flowing in the cross-section 42 drive jet with the speed 43 of the inflowing through the Bypaßquerschnitt 44 according to vehicle speed 45 water mass by friction and mix a relative to the driving jet lower average exit velocity 46 in cross-section 34 communicates and thus improves the nozzle efficiency in the low driving speed range.
In den Fig. 9 bis 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer solchen Steuerdüse dargestellt. Der um eine teilweise dargestellte vertikale Schwenkachse 22 im Pumpenkörper 18 schwenkbare Düsenkörper 19 weist zwei parallele Wangen 19 auf, zwischen denen die beiden Klappen 21a und 21b geführt und mittels nicht dargestellter Verstelleinrichtungen in ihrer Lage an den Lageraugen 27a, 27b, 32a und 32b derart verstellbar sind, daß sowohl der Austrittsquerschnitt durch den Abstand 34 der beiden hinteren Kanten 36a, 36b der Klappen 21a, 21b einstellbar ist als auch durch eine gleichzeitige, gleichsinnige Verstellung der beiden Hinterkanten 36a, 36b der Klappen 21a, 21b eine vertikale Ablenkung der wirksamen Strahlrichtung zur Trimmung erzielt werden kann.In FIGS. 9 to 11 a second embodiment is shown of such a steering nozzle. The nozzle body 19 , which can be pivoted about a partially shown vertical pivot axis 22 in the pump body 18, has two parallel cheeks 19 , between which the two flaps 21 a and 21 b are guided and in their position on the bearing eyes 27 a, 27 b, 32 by means of adjusting devices (not shown) a and 32 b are adjustable such that both the outlet cross-section is adjustable by the distance 34 between the two rear edges 36 a, 36 b of the flaps 21 a, 21 b and also by simultaneous adjustment of the two rear edges 36 a, 36 b in the same direction the flaps 21 a, 21 b a vertical deflection of the effective beam direction for trimming can be achieved.
Durch Verschließen der Querschnitte im Bereich der Vorderkanten 47a, 47b und des Spaltes 34 zwischen den Kanten 36a, 36b wird eine Durchströmung der Pumpe vorteilhafterweise bei Stillstand und während Liegezeiten im Hafen und damit deren Beschädigung verhindert.By closing the cross sections in the area of the front edges 47 a, 47 b and the gap 34 between the edges 36 a, 36 b, flow through the pump is advantageously prevented when the vehicle is at a standstill and during lay times in port and thus its damage.
Für den Bremsvorgang oder für die Rückwärtsfahrt wird der Spalt 34 zwischen den hinteren Kanten 36a, 36b der Klappen 21a, 21b geschlossen, die Vorderkante 47a oder 47b oder beide derart verstellt, daß durch den so entstehenden Spalt das von der Pumpe beschleunigte Wasser in fast der Strömungsrichtung in der Pumpe entgegengesetzter Richtung ausströmen kann und so einen der normalen Fahrtrichtung entgegengesetzten Schub erzeugt. Wird dagegen zusätzlich der Spalt 34 geöffnet, entsteht ein als Injektor wirkender Bypaß.For the braking process or for driving backwards, the gap 34 between the rear edges 36 a, 36 b of the flaps 21 a, 21 b is closed, the front edge 47 a or 47 b or both adjusted in such a way that the gap created by the Pump accelerated water can flow out in almost the direction of flow in the pump in the opposite direction and thus produces a thrust opposite to the normal direction of travel. If, on the other hand, the gap 34 is additionally opened, a bypass acting as an injector is created.
In den Fig. 12 bis 14 ist eine weitere um 90° gedrehte Ausführung der in den Fig. 9 bis 11 dargestellten Steuereinrichtung gezeigt, wobei hier durch die gleichzei tige, gleichsinnige Schwenkung der beiden Klappen 21a, 21b die horizontale Strahlablenkung und damit die Steuerung der Fahrtrichtung und durch das Verschwenken des Düsenkörpers 19 um die horizontale Achse 22 die vertikale Ablenkung des Treibstrahles zur Trimmung erzielt wird.In Figs. 12 to 14 is further rotated by 90 ° embodiment shown in Figs. 9 to 11 illustrated control means, here by gleichzei term equidirectional swiveling of the two flaps 21 a, 21 b, the horizontal beam deflection and thus the Control of the direction of travel and by pivoting the nozzle body 19 about the horizontal axis 22, the vertical deflection of the driving jet for trimming is achieved.
Aus Fig. 15 ist das Zusammenwirken der vorstehend beschrie benen Baugruppen-Anordnung Antrieb-Pumpe-Düse-Regler und Servo zu ersehen, also das Betätigen der beschriebenen Klappen der Düse über einen Regler und einen Servo in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Meßwerte Pumpendreh zahl, dynamischer Druck und/oder Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal, derart, daß der Querschnitt der Düse unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeuges in Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpe und dem zugehörigen Durchsatz an Wasser durch den Strömungskanal auf ein Verhältnis von Wasserdurchsatz zu Pumpendrehzahl = konstant geregelt wird, wobei als Regelgröße der erfaßbare dynamische Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal und die Drehzahl der Pumpe benutzt werden.From Fig. 15, the interaction of the above beschrie surrounded assembly structure can be seen drive pump nozzle control and power, ie the actuation of the described valves of the nozzle via a controller and a servo in dependence of the available measurements pump speed, Dynamic pressure and / or flow speed in the flow channel, such that the cross section of the nozzle is controlled independently of the speed of the watercraft depending on the speed of the pump and the associated flow rate of water through the flow channel to a ratio of water flow rate to pump speed = constant, whereby the detectable dynamic pressure or the flow velocity in the flow channel and the speed of the pump are used as the control variable.
Das oben beschriebene Trimmen des Wasserfahrzeuges kann selbstverständlich automatisch mit Hilfe eines Rechners durchgeführt werden.The trimming of the watercraft described above can naturally automatically with the help of a computer be performed.
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