DE4317765A1 - Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge mit mindestens einer Wasserpumpe, damit verbundenen Wasseransaugöffnungen und Wasseraustrittsdü­ sen und Steuerorganen, durch welche der von den Wasser­ ansaugöffnungen zu den Wasseraustrittsdüsen strömende Wasserstrom steuerbar ist.

Ein gattungsgemäßer Wasserstrahlantrieb für Wasserfahr­ zeuge ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 39 36 598 A1 bekannt. Dieser weist mindestens eine Was­ serpumpe auf, die über Wasseransaugöffnungen Wasser ansaugen kann und mit dem von ihr geförderten Wasser Wasseraustrittsdüsen speist. Aufgrund des Impulserhal­ tungsprinzips tritt an den Wasseraustrittsdüsen eine Schubkraft entgegen der Strömungsrichtung des austreten­ den Wassers auf. Diese Schubkraft wird für den Vorschub des Schiffes und für die Durchführung für Richtungsände­ rungen ausgenutzt.

Derartige Wasserstrahlantriebe bieten vielfältige Vor­ teile: Im Gegensatz zu herkömmlichen Schiffsschraubenan­ trieben ist die Schubkraft von Wasserstrahlantrieben auch bei höheren Fahrgeschwindigkeiten nahezu geschwin­ digkeitsunabhängig. Weiterhin ermöglichen Wasserstrah­ lantriebe eine bessere Flachwassertauglichkeit der damit betriebenen Wasserfahrzeuge gegenüber mittels freilau­ fender Schiffsschrauben angetriebener Fahrzeuge, weil Schiffsschrauben in der Regel tiefer ins Gewässer ein­ tauchen als der Rumpf. Bei Wasserstrahlantrieben fällt außerdem die Gefahr einer Beschädigung von im Wasser befindlichen Lebewesen und Gegenständen durch Schiffs­ schrauben weg. Weiterhin leisten Wasserstrahlantriebe auch dann noch hinreichende Schubkraft, wenn die Wasser­ schubdüsen, z. B. bei rauher See, durch den Seegang zeit­ weilig über die Wasseroberfläche angehoben werden. In solchen Fällen erfahren herkömmliche Schiffsschrauben keinen Bewegungswiderstand durch das Wasser mehr. Da­ durch kann die Antriebsmaschine kurzzeitig auf nahezu Maximaldrehzahl hochdrehen, wodurch es zu Überhitzungen und Beschädigungen der Antriebsaggregate kommen kann.

Trotz der vorgenannten Vorteile weisen Wasserstrahlan­ triebe für Wasserfahrzeuge nach dem Stand der Technik Nachteile auf, die eine weitere Verbreitung dieses An­ triebsprinzips bislang verhindert haben. Bei herkömmli­ chen Konstruktionen wirkt sich nachteilig aus, daß z. B. für Richtungsänderungen die für den Vorschub genutzte Wasserströmung ganz oder teilweise in Steuerdüsen umge­ leitet wird. Das bedeutet, daß die zur Verfügung stehen­ de Vorschubkraft, z. B. von Richtungsänderungen abhängig ist. Dadurch wird die exakte Manövrierfähigkeit stark eingeschränkt. Dies trifft insbesondere bei größeren Schiffen zu. Diesbezüglich ermöglichen bekannte Varian­ ten von Wasserstrahlantrieben - wie z. B. aus der vorge­ nannten DE 39 36 598 A1 bekannt - bei seitlichen Fahr­ zeugbewegungen nur unzureichende Manövrierfähigkeit.

Kompliziertere Manöver auf engstem Raum, die z. B. Wen­ dungen auf der Stelle erfordern, sind nach dem Stand der Technik bisher nur mit mehreren separaten Pumpen und Wasserstrahlantrieben durchführbar. Derartige Ausführun­ gen sind jedoch insbesondere für Wasserfahrzeuge zu schwer, kompliziert und auch teuer.

Außerdem bieten bisherige Konstruktionen nur einge­ schränkte Einsatzmöglichkeiten, weil der unabhängige Betrieb weiterer wasserdruckbetriebener Einrichtungen durch den von einer einzigen Wasserpumpe geförderten Wasserstrom nicht möglich ist. Auch dafür sind nach dem Stand der Technik weitere Wasserpumpen notwendig, wo­ durch ebenfalls die vorgenannten Nachteile auftreten.

Schließlich ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei Was­ serstrahlantrieben die Wartungsfreundlichkeit und Be­ triebssicherheit. Bisher wirkt sich eine Erweiterung der Einsatzfunktionen bei Wasserstrahlantrieben jedoch in der Regel negativ bezüglich dieser Eigenschaften aus, weil komplizierte Konstruktionen zum Einsatz kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst geringem maschinellen Aufwand eine bessere Manövrierfähigkeit von Wasserfahrzeugen zu erreichen und gleichzeitig erweiter­ te Einsatzmöglichkeiten der zum Antrieb genutzten Was­ serpumpen, eine größere Wartungsfreundlichkeit und höhe­ re Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Wasseransaugöffnungen und die Wasseraustrittsdüsen einzeln und unabhängig voneinander durch die Steuerorga­ ne dem Wasserstrom freigebbar sind.

Durch die Erfindung ist die Speisung einer beliebigen Anzahl von Wasseraustrittsdüsen voneinander unabhängig möglich. Die Wasseraustrittsdüsen können in jeder erden­ klichen Kombination betrieben werden, da diese unabhän­ gig voneinander durch die Steuerorgane dem Wasserstrom der Wasserpumpe freigegeben oder geschlossen werden kön­ nen. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß für alle An­ triebs- und Steuereinrichtungen die benötigte Schubkraft unverzüglich zur Verfügung steht.

Zweckmäßigerweise umfaßt die Anzahl der Wasseraustritts­ düsen sowohl die Antriebsdüsen als auch die Steuerdüsen des Wasserfahrzeugs. Durch diese Maßnahme ergibt sich die Möglichkeit, die notwendige Schubkraft für alle Bewegungsrichtungen des Wasserfahrzeugs der jeweiligen Einsatzsituation optimal anzupassen.

Sind die als Steuerdüsen ausgebildeten Wasseraustritts­ düsen im Wasserfahrzeug vorwiegend horizontal gerichtet fest eingebaut, kann in vorteilhafter Weise horizontaler Steuerschub auf das Wasserfahrzeug ausgeübt werden. Eine Anbringung der Steuerdüsen an verschiedenen Kraftan­ griffspunkten am Wasserfahrzeug gestattet die Ausführung jeglicher Art von Lateralbewegungen und unterschiedli­ cher Rotationen um vertikale Drehachsen. Die Anzahl der Wasseraustrittsdüsen ist beliebig vorgebbar. Auch kom­ plizierteste Manöver, wie sie z. B. in Häfen, bei Ret­ tungseinsätzen oder in untiefen Gewässern erforderlich werden können, sind durchführbar.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Wasseraus­ trittsdüsen teilweise als im wesentlichen vertikal ausgerichtete Steuerdüsen ausgebildet sind, die im Was­ serfahrzeug fest eingebaut sind. Hierdurch wird auch die Vertikalbewegung des Wasserfahrzeugs optimal steuerbar. Es sind alle möglichen Translations- und Rotationsbewe­ gungen bei einer entsprechenden Anordnung der Kraftan­ griffspunkte der Vertikal-Steuerdüsen am Wasserfahrzeug denkbar. Die Anzahl dieser Vertikal-Steuerdüsen ist beliebig und kann optimal dem jeweiligen Einsatzzweck angepaßt werden.

In sehr vorteilhafter Weise kann ein an der Wasserober­ fläche schwimmendes Schiff mit einem erfindungsgemäßen Wasserstrahlantrieb ausgestattet werden. Die außerge­ wöhnlich guten Steuerungsmöglichkeiten in der Horizonta­ lebene, d. h. auf der Wasseroberfläche, ermöglichen auch komplizierteste Manöver, z. B. in Häfen, bei Rettungsein­ sätzen oder in untiefen Gewässern. Mit den vertikalen Steuerdüsen kann auch dem Rollen und Stampfen des Schif­ fes entgegengewirkt werden.

Besondere Bedeutung erlangt die Möglichkeit der Ausübung beliebiger Schubkräfte beim Einsatz in Unterwasserfahr­ zeugen. Durch unabhängig steuerbare, vertikal und hori­ zontal ausgerichtete Wasseraustrittsdüsen können in alle drei Raumrichtungen und um alle Raumachsen - also bezüg­ lich aller sechs möglichen Freiheitsgrade der Bewegung - Tauchmanöver durchgeführt werden,die bei konventionellen U-Booten ausgeschlossen sind.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfin­ dung sieht vor, daß an dem Ausgang der Wasserpumpe eine Verteilereinrichtung angeschlossen ist, von der aus alle Wasseraustrittsdüsen versorgt werden. In dieser Vertei­ lereinrichtung kann mittels der Wasserpumpe jederzeit ein ausreichender Wasserdruck zur Versorgung aller Was­ seraustrittsdüsen aufrecht erhalten werden. Der Wasser­ druck in der Verteilereinrichtung wird mittels Druck­ überwachungseinrichtungen überwacht, damit die Wasser­ pumpe keinen Schaden erleidet. Insbesondere ist es gün­ stig, wenn die Verteilereinrichtung in Form eines Ver­ teilerkastens gestaltet ist. In diesem Fall kann der Verteilerkasten besonders einfach mit Anschlußmitteln zum Anschluß der zu den Wasseraustrittsdüsen führenden Versorgungsleitungen versehen werden. Durch die Wasser­ pumpe muß nur der Wasserdruck im Verteilerkasten auf­ rechterhalten werden.

Besonders günstige Steuereigenschaften können erreicht werden, wenn als Steuerorgan jeder Wasseraustrittsdüse ein volumensteuerbares Ventil zugeordnet ist. Damit ist es möglich, den Schub einer jeden Wasseraustrittsdüse fein zu regulieren, wodurch eine besonders präzise Ma­ növrierfähigkeit gewährleistet ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die einzelnen Steuerorgane fernsteuerbar, die den Wasserdurchfluß zu den Wasseraustrittsdüsen steuern. Die Steuerorgane können in diesem Falle vom Kommandostand des Wasserfahrzeugs bedient werden, gege­ benenfalls ist auch eine Fernsteuerung denkbar. Die Steuerung kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder auf andere Art und Weise erfolgen.

Besonders bei den als Steuerdüsen ausgebildeten Wasser­ austrittsdüsen ist es sehr günstig, wenn die jeweiligen Steuerorgane in den Versorgungsleitungen möglichst nahe vor den Austrittsdüsen angeordnet sind. Damit wird ausgeschlossen, daß das in den Versorgungsleitungen ste­ hende Wasser bei geschlossenen Steuerorganen ganz oder teilweise abfließt und deswegen bei einer erneuten Betä­ tigung der jeweiligen Steuerdüsen die jeweiligen Versor­ gungsleitungen erst mit Wasser aufgefüllt werden müssen, bevor das Wasser aus den Steuerdüsen austritt und Schub erzeugt. Durch diese Ausgestaltung erfolgt ein schnelle­ res Ansprechen des Wasserfahrzeugs auf Steuermaßnahmen.

Weiterhin sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, daß alle oder nur ein Teil der Wasseraustrittsdüsen als Mehrstoffdüsen ausgebildet sind. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, durch Hinzufügung von weiteren Substanzen in den ausgestoßenen Wasserstrom ausgewählte Substanzen in bestimmte Gewässer einzubringen oder auch die Vor­ schubkraft zu erhöhen.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zwischen den Wasseransaugöff­ nungen und der Wasserpumpe in der Ansaugleitung eine Filterkammer angeordnet ist, die Filterelemente enthält. Damit wird verhindert, daß angesaugte Fremdkörper, z. B. Treibholz, Wasserpflanzen oder ähnliches in die Pumpe eingesaugt werden und dort unter Umständen Schäden und Betriebsstörungen verursachen. Eine derartige Filterein­ richtung ist besonders bedienungs- und wartungsfreund­ lich, wenn die Filterelemente aus der Kammer entnehmbar sind. Dadurch können diese bei Bedarf entnommen und gereinigt werden.

Für verschiedene Einsatzzwecke ist es vorteilhaft, wenn eine oder mehrere Wasseraustrittsdüsen als Wassersprit­ zen - sogenannte "Monitore" - ausgebildet sind. Damit ist es nicht nur möglich, zusätzlich gezielten Schub auszuüben, sondern auch kleinere Hindernisse vom Wasser­ fahrzeug wegzudrücken oder bei Bedarf auch Löscharbeiten auszuführen.

Ein weiterer, besonders vorteilhafter Einsatzzweck der Erfindung liegt darin, wenn sogenannte Schubverbände, daß sind Schubschiffe, die Schubleichter vor sich her­ schieben, mit einem erfindungsgemäßen Wasserstrahlan­ trieb ausgerüstet werden. Derartige Schubverbände werden häufig in der Binnenschiffahrt angetroffen. Um die Ma­ növrierfähigkeit dieser oftmals langen und trägen Schub­ verbände zu erhöhen, können die einzelnen, bisher nicht angetriebenen Schubleichter mit Steuerdüsen versehen werden, die vom Schubschiff aus mit Wasserdruck versorgt werden. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Vereinfa­ chung in der Handhabung derartiger Schubverbände.

Ein erfindungsgemäßer Wasserstrahlantrieb für Wasser­ fahrzeuge wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt im einzelnen:

Fig. 1 Schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Wasserstrahlantriebs.

In der Darstellung ist die Wasserpumpe mit dem Bezugs­ zeichen 1 versehen. Sie wird von einer Antriebsmaschine 2 angetrieben.

An den Ansaugflansch der Wasserpumpe 1 ist eine Filter­ kammer 3 angeschlossen. In der Filterkammer 3 ist ein entnehmbares Filterelement 4 im Ansaugstrom der Wasser­ pumpe 1 angeordnet. An der strömungsmäßig der Wasserpum­ pe 1 abgewandten Seiten steht die Filterkammer 3 über ein Seewasserventil 5 mit einer Ansaugöffnung 6 in Verbindung.

Ausgangsseitig ist die Wasserpumpe 1 an eine Verteiler­ kammer 7 angeschlossen. Von der Verteilerkammer 7 zweigt eine Verbindungsleitung 8 ab, die über ein Hauptventil 9 eine Hauptvorschubdüse 10 speist.

Über Leitungen 11 und Rückschubventile 12 steht die Verteilerkammer 7 mit Rückschubdüsen 13 in Verbindung.

Die Steuerleitungen 14 speisen über Steuerventile 15a, 15b, 15c und 15d horizontale Steuerdüsen 16a, 16b, 16c und 16d. Die Steuerdüse 16a ist beispielsweise am Bug steuerbordseitig angebracht, die Steuerdüse 16b am Heck steuerbordseitig, die Steuerdüse 16c am Bug backbordsei­ tig und die Steuerdüse 16d am Heck backbordseitig.

Über eine Leitung 17 und ein Ventil 18 kann ein Monitor 19 von der Verteilerkammer 7 aus mit Wasser versorgt werden.

Gestrichelt eingezeichnet sind weitere Steuerleitungen 20, die mit der Verteilerkammer 7 in Verbindung stehen und optional über weitere Steuerventile 21, weitere Steuerdüsen 22 speisen. Diese Steuerdüsen 22 können bei­ spielsweise vertikal ausgerichtet sein.

Ein Überdruckventil 23 ist ebenfalls mit der Verteiler­ kammer verbunden und dient als Drucküberwachungseinrich­ tung.

Zum Betrieb des Wasserstrahlantriebes wird die Antriebs­ maschine 2 gestartet, damit nimmt die Wasserpumpe 1 ih­ ren Betrieb auf. Wenn das Seewasserventil 5 geöffnet wird, saugt die Wasserpumpe 1 über die Ansaugöffnung 6 und durch die Filterkammer 3 mit den Filterelementen 4 Wasser an. Dabei werden größere Gegenstände, die ange­ saugt werden und der Wasserpumpe einen Schaden zufügen könnten vom Filterelement 4 zurückgehalten. Ist das Fil­ terelement 4 bei längerem Betrieb zugesetzt, kann es aus der Filterkammer 3 entnommen werden, um es zu reinigen.

Die Wasserpumpe 1 pumpt nun das angesaugte Wasser in die Verteilerkammer 7. Um vorwärts Fahrt aufzunehmen, wird das Hauptventil 9 geöffnet. Dabei strömt aus der Vertei­ lerkammer 7 das unter Druck stehende Wasser durch die Verbindungsleitung 8 zur Hauptvorschubdüse 10 und tritt mit mehr oder weniger hoher Geschwindigkeit ins Freie aus. Der dabei auftretende Schub treibt das Schiff voran.

Um Steuerbewegungen auszuführen, wird eines oder mehrere der Steuerventile 15a-d ganz oder teilweise geöffnet. Dabei tritt das unter Druck stehende Wasser aus der Verteilerkammer 7 aus den horizontalen Steuerdüsen 16a-d aus. An diesen Steuerdüsen 16a-d tritt dann ein Steuer­ schub auf, der jeweils entgegengesetzt dem ausströmenden Wasser gerichtet ist. Durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Steuerventile 15a-d kann das Wasserfahr­ zeug nach Steuerbord und Backbord gelenkt werden. Außer­ dem kann das Wasserfahrzeug um vertikale Drehachsen auf der Stelle wenden.

Bleibt das Hauptventil 9 geschlossen, erfährt das Wasserfahrzeug keinen Vorwärtsschub. In diesem Fall kann das Wasserfahrzeug durch die Betätigung der Steuerventi­ le 15a-d Seitwärtsfahrt ohne Vorwärtskomponente aufneh­ men.

Werden die Rückschubventile 12 geöffnet, werden die Rückschubdüsen 13 aus der Verteilerkammer 7 mit Wasser gespeist. Dabei nimmt das Wasserfahrzeug Rückwärtsfahrt auf.

Durch die optionalen vertikalen Steuerdüsen 22, die über Steuerleitungen 20 und Steuerventile 21 mit der Vertei­ lerkammer 7 verbunden sind, ist es möglich, beispiels­ weise ein Wasserfahrzeug vertikal zu stabilisieren. Han­ delt es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein Unterwasser­ fahrzeug, sind mittels der Steuerventile 18 auch in der vertikalen Manöver möglich, analog den mittels der Steuerventile 15a-d in der Horizontalen ausführbaren Ma­ növern. Bei einem U-Boot wären dies z. B. Abtauchen und Auftauchen.

Wird das Ventil 18 geöffnet, strömt über die Leitung 17 Wasser aus der Verteilerkammer 7 zum Monitor 19. Der aus­ tretende Wasserstrahl kann dazu genutzt werden, kleinere Manöver durchzuführen, kleinere Hindernisse aus der Fahrrinne wegzudrücken oder auch Löscharbeiten auszufüh­ ren.

Claims (16)

1. Wasserstrahlantrieb für Wasserfahr­ zeuge mit mindestens einer Wasserpumpe, damit verbunde­ nen Wasseransaugöffnungen und Wasseraustrittsdüsen und Steuerorganen, durch welche der von den Wasseransaugöff­ nungen zu den Wasseraustrittsdüsen strömende Wasserstrom steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasseransaugöffnungen (6) und die Wasseraus­ trittsdüsen (10, 13, 16, 19, 22) einzeln und unabhängig voneinander durch die Steuerorgane (9, 12, 15, 18, 21) dem Wasserstrom freigebbar sind.

2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige Anzahl von Wasseraustrittsdüsen (10, 13, 16, 19, 22) zum Teil als Antriebsdüsen (10, 13) und zum Teil als Steuerdüsen (16, 19, 22) für das Wasserfahrzeug ausgebildet sind.

3. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasseraustrittsdüsen zum Teil als Steuerdüsen (15) ausgebildet sind, die im we­ sentlichen horizontal ausgerichtet im Wasserfahrzeug fest eingebaut sind.

4. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasseraustrittsdüsen zum Teil als Steuerdüsen (22) ausgebildet sind, die im we­ sentlichen vertikal ausgerichtet im Wasserfahrzeug fest eingebaut sind.

5. Wasserstrahlantrieb nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahlantrieb in einem Schiff anbringbar ist, welches sich immer, zumindest teilweise oberhalb der Wasseroberfläche befindet.

6. Wasserstrahlantrieb nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahlantrieb in einem Unterwasserfahrzeug angeordnet ist.

7. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Wasserpumpe (1) eine Verteileranrichtung (7) angebracht ist, an wel­ che alle Wasseraustrittsdüsen (10, 13, 16, 19, 22) ange­ schlossen sind.

8. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileranrichtung (7) insbesondere die Form eines Verteilerkastens hat.

9. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wasseraustrittsdüse (10, 13, 16, 19, 22) ein volumensteuerbares Ventil (9, 12, 15, 18, 21) zugeordnet ist.

10. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Wasserstrom ange­ brachten Steuerorgane (9, 12, 15, 18, 21) fernsteuerbar sind.

11. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane (15, 21) in der Nähe der Wasseraustrittsdüsen (16, 22) angeordnet sind.

12. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder nur ein Teil der Wasseraustrittsdüsen (10, 13, 16, 19, 22) als Mehrstoff­ düsen ausgebildet sind.

13. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wasseransaug­ öffnungen (6) und der Wasserpumpe (1) eine Filterkammer (3) mit Filtereinrichtungen (4) angeordnet ist.

14. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtungen (4) aus der Filterkammer (3) entnehmbar sind.

15. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wasseraus­ trittsdüse (19) als Monitor ausgebildet ist.

16. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahlantrieb in einem Schubschiff angeordnet ist und sich zumindest ei­ nen Teil der Wasseraustrittsdüsen (10, 13, 16, 19, 22) in den von dem Schubschiff bewegten Schubleichtern be­ findet.