DE4428748A1 - Wasserstrahlantrieb - Google Patents

Description

Gegenstand des Hauptpatentes ist eine sogenannte Topfpumpe, d. h. ein Wasserstrahlantrieb mit folgenden Merkmalen. Ein halb­ axial beschaufeltes Laufrad ist mit vertikaler Drehachse in ei­ nem brunnenförmigen Pumpengehäuse drehbar angeordnet. In das Pumpengehäuse ist von oben her durch eine Deckelplatte der An­ trieb für das Laufrad eingeführt. Unten ist das Gehäuse durch eine Bodenplatte verschlossen, die einen in der Mitte angeord­ neten Wassereinlaß für die axiale Anströmung des Laufrades und zumindest einen flach geneigten Wasserauslaß aufweist, wobei zwischen dem Austrittsende der Förderkanäle des Laufrades und dem zumindest einen Wasserauslaß ein Leitapparat angeordnet ist. Dieser Leitapparat weist einen zwischen dem Pumpengehäuse und dem Laufradgehäuse konzentrisch zur Laufradachse angeordne­ ten schaufellosen Ringkanal auf, in dem die Strömung aus der halbaxialen Richtung beim Verlassen des Laufrades in eine Aus­ trittsrichtung gebracht wird, die mit der Anströmrichtung einen Winkel etwa zwischen 160 und 200° einschließt. Der Querschnitts­ verlauf des Ringkanals kann konstant sein oder in Strömungs­ richtung abnehmen oder in Strömungsrichtung zunehmen je nach dem Ergebnis, das durch die eine oder andere Maßnahme erwartet wird.

Diese Topfpumpe gemäß dem Hauptpatent geht von einer Topfpumpe gemäß DE-OS 40 21 340 aus.

Bei dieser Topfpumpe weist der Leitapparat im Ringkanal Ein­ bauten in der Form von Schaufeln auf. Da die Gesamtkonzeption der Topfpumpe gemäß dem Hauptpatent ohne beschaufelten Ringka­ nal auskommt, ist die Topfpumpe gemäß dem Hauptpatent einfacher und leichter als die dort vorausgesetzte Topfpumpe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Topfpumpe gemäß dem Hauptpatent so auszubilden, daß sie noch einmal einfacher zu steuern ist, was insbesondere bedeutet, daß zur Bestimmung der Strahlaustrittsrichtung geringere Massen bewegt werden müs­ sen.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Patentansprüchen.

Während beim Antrieb gemäß dem Hauptpatent die Auslaßdüse für den Wasserstrahl, dessen Energie den Vortrieb des Wasserfahr­ zeugs bestimmt und dessen Richtung die Bewegungsrichtung des Wasserfahrzeuges bestimmt, in eine Bodenplatte integriert ist, die fest mit dem Gehäuse des Antriebs verbunden ist und deshalb zur Änderung der Austrittsrichtung des das Wasserfahrzeug an­ treibenden Wasserstrahls das gesamte Gehäuse gedreht werden muß, muß bei der Erfindung nur noch eine Düse gegenüber dem Ge­ häuse verschwenkt bzw. eine der Düse zugeordnete Klappe ver­ stellt werden; es muß also bei der Lösung gemäß der Erfindung zur Richtungsänderung von Wasserstrahl bzw. Schiff eine viel geringere Masse als bei der Erfindung des Hauptpatents ver­ stellt werden, wodurch die Richtungsänderung schneller, genauer und mit geringerem Energieeinsatz möglich ist.

Bei einer anderen bekannten Topfpumpe ist, in dem Bestreben, die zur Strahlsteuerung notwendigerweise zu verstellenden Mas­ sen gering zu halten, nicht das gesamte Pumpengehäuse um seine vertikale Längsachse verstellbar, sondern das eigentliche Pum­ pengehäuse ist in die Tragstruktur des Schiffes integriert und allein die Bodenplatte ist gegenüber dem Hauptteil des Pumpen­ gehäuses um dessen lotrechte Längsachse um 360° zu drehen (EP 0 464 739 A1). Die zu verstellende Masse ist also trotz Aufgabengleichheit immer noch deutlich größer als bei der Er­ findung, wo allenfalls eine Düse gegenüber dem gesamten Pumpen­ gehäuse verstellt werden muß.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt durch den Antrieb;

Fig. 2, 3 Einbaubeispiele als schematische Seitenansicht (Fig. 2) bzw. schematische Draufsicht (Fig. 3), wobei davon ausgegan­ gen wird, daß der Begriff "Wasserstrahlantrieb" die Verwendung einer Topfpumpe als Mittel zum Antrieb eines Wasserfahrzeuges, also eines Schiffes einschließt;

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine in ihrer Gesamtheit schwenkbar eingebaute Düse als Seitenansicht;

Fig. 5 in einer Fig. 4 entsprechenden Darstellung eine fest eingebaute Düse mit Steuerklappen;

Fig. 6 in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung eine erfin­ dungsgemäße Düse mit der Möglichkeit, den Schubstrahl um bis zu 180° umzulenken; und

Fig. 7 die Ausbildung gemäß Fig. 6 als Draufsicht.

Die wesentlichen Bauteilgruppen des erfindungsgemäßen Wasser­ strahlantriebs sind das topfförmige Pumpengehäuse 1, das halb axial verlaufende Schaufel- bzw. Strömungskanäle zwischen sei­ nen Schaufeln 2 bildende Pumpenlaufrad 3, der Antrieb 4 des Laufrades, der Leitapparat 5 und eine untere Deckplatte 6, in die in der Mitte der Wasserstrahleinlaß 7 integriert ist. "Hal­ baxial beschaufelt" besagt, daß das Laufrad 3 axial angeströmt wird und das mit Strömungsenergie versehene Wasser das Laufrad verläßt und in den Leitapparat eintritt unter einem Winkel, der gegenüber der Laufraddrehachse geringer als 90° ist. Der An­ trieb 4 kann konventionell sein, so daß auf seine Beschreibung verzichtet werden kann. Er ist auf einen Deckel des Pumpenge­ häuses 1 aufgesetzt und ragt in das Pumpengehäuse hinein, um dort mit dem Laufrad 3 drehfest verbunden zu sein. Er kann bei­ spielsweise dem in DE-A 40 21 340 vorgesehenen Antrieb glei­ chen. Im Einlaß 7 kann ein relativ weitmaschiges Einlaßgitter 11 angeordnet sein, das deswegen relativ weitmaschig sein kann, weil der Antrieb infolge des Fehlens eines beschaufelten Leit­ apparates gegenüber im Wasser mitgeführten Fremdpartikeln un­ empfindlicher ist als ein Antrieb mit einem beschaufelten Leit­ apparat.

Der Leitapparat ist ein unbeschaufelter Ringdiffusor mit einem Austrittswinkel zur Laufradachse zwischen etwa 160 und 200°, vorzugsweise 180°. Der Ringdiffusor bzw. Leitapparat 5 wird un­ mittelbar außen von der Gehäuseaußenwand 12 und innen vom Lauf­ radgehäuse 13 gebildet. Er ist rotationssymmetrisch und weist keine Einbauten auf. Er gewährleistet eine lange Führung zu der Auslaßdüse 8. Der Querschnittsverlauf des Leitapparates kann konstant, abnehmend oder, vorzugsweise, zunehmend sein.

Die in der Pumpe erzeugte Strömung tritt aus dem Gehäuse 1 aus mindestens einer, in der rückwärtigen Gehäusewand angeordneten Düse 8 aus. Die Düse 8 ist so angeordnet, daß der Wasserstrahl im wesentlichen horizontal austritt, das Wasserfahrzeug also auch in extrem flachen Wasser mit eigenem Antrieb fahren kann. Diese Möglichkeit setzt außer dem horizontalen Strahlaustritt voraus, daß der gesamte Antrieb allenfalls geringfügig über den Boden des Wasserfahrzeuges vorsteht. Außerdem ist zu gewährlei­ sten, daß der Antrieb nach rückwärts unverbaut im Wasserfahr­ zeug bzw. Schiff angeordnet ist (Fig. 2, 3).

Soll mit dem Antrieb keine Steuerwirkung erzielt werden, so ist die Düse 8 fest im Gehäuse der Pumpe eingebaut, sie ist als schuboptimierte Düse Teil einer schubverbesserten Version des Wasserstrahlantriebs gemäß dem Hauptpatent. Der Wasserstrahlan­ trieb bewirkt als "Booster" allein dem Vortrieb einer Schiffes in einer andersweitig bestimmten Fahrtrichtung.

Soll mit einem Antrieb gemäß der vorliegenden Erfindung unter Beibehaltung der grundsätzlichen Fahrtrichtung "Vorwärts" die Fahrtrichtung beeinflußt werden, so kann dieser Düse, in der abgewandelten Form mit 10 gekennzeichnet, eine dreh- oder schwenkbare Umlenkplatte 16 innerhalb der festen Düse 10 zuge­ ordnet sein (Fig. 5) oder es kann die Düse 10 in ihrer Gesamt­ heit verschwenkbar im Pumpengehäuse 1 angeordnet sein (Fig. 4). Verstellbar ist die Düse 10 (Fig. 4) bzw. die Düsenplatte 16 (Fig. 5) mit einer mechanischen, hydraulischen, elektrischen oder kombinierten Winkelverstellung, wie sie in Fig. 4 und 5 allgemein mit 20 bezeichnet ist, ohne daß auf Einzelheiten ein­ gegangen wird, weil es sich eben um jeden beliebigen insoweit bekannten zweckgerichteten Stellantrieb handeln kann.

Wird auch als extremstes Steuermanöver das Umsteuern des Schub­ strahles um 180° (Gegenschub) gefordert, kann dies durch eine bewegliche, profilierte Klappe 17 erreicht werden (Fig. 6, 7), die ebenfalls mit einfachen hydraulischen oder mechanischen Schie­ bern betätigt werden kann. Zum Umsteuern wird eine solche Klap­ pe 17 unmittelbar hinter der Austrittsdüse 10a bzw. 10b in den Düsenstrahl geschwenkt und sie lenkt dann durch ihre Formgebung den Wasserstrahl in die entgegengesetzte Richtung um. In Fig. 6 ist die Strahlumlenkklappe in ihrer Nicht-Funktionseinstellung durch unterbrochene Linien, in ihrer die Strahlumlenkung bewir­ kenden Stellung durch durchgehende Linien gekennzeichnet.

Die Umlenkklappe 17 ist in einem Rahmen 18 gehalten, der auf seitlichen Zapfen 19 schwenkbar am Gehäuse 1 gelagert ist und die Schwenkbarkeit wird wiederum mit einer Stelleinrichtung 20 bewirkt.

Der erfindungsgemäße ausgebildete Wasserstrahlantrieb, der auf dem Wasserstrahlantrieb gemäß dem Hauptpatent beruht, stellt also eine schubverbesserte Version dar.

Aus Fig. 2 und 3 ergeben sich nun Antriebs- und Steuerkonzepte für Schiffe, wie sie unter Verwendung erfindungsgemäßer Antrie­ be realisiert werden können.

Bei einem ersten Antriebs- und Steuerkonzept soll bei einem mittleren Antrieb B dem Pumpengehäuse 1 eine starre, nach hin­ ten gerichtete Düse 8 zugeordnet sein, wobei die Längsachse der Düse in der Draufsicht mit der Längsachse des Schiffes zu­ sammenfällt. Damit ist der mittlere Antrieb B ein nichtsteuer­ barer "Booster", der ausschließlich dem Vortrieb des Schiffes dient, wobei die Längsachse der Düse zwar nicht mit der Längs­ achse des Schiffes zusammenfallen, aber zumindest parallel zur Längsachse des Schiffes angeordnet sein soll. Zwei symmetrisch zur Schiffslängsachse angeordnete seitliche, steuerbare Antrie­ be SA1 und SA2 gleichen grundsätzlich dem mittleren Antrieb B, ihre Auslaßdüsen 10a, 10b sind jedoch so ausgebildet, daß ihre Auslaßrichtung verstellt werden kann, um das Schiff steuern zu können. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Düse 10a bzw. 10b in ihrer Gesamtheit verschwenkbar im jeweiligen Pum­ pengehäuse 1 angeordnet ist (Fig. 4). Eine Alternative ist eine starr im Pumpengehäuse 1 angeordnete Auslaßdüse (10a, 10b), der jedoch mindestens eine dreh- oder schwenkbare Umlenkplatte 16 innerhalb der festen Düse zugeordnet ist (Fig. 5). Wird auch als extremstes Steuermanöver das Umsteuern des Schubstrahles um 180° (Gegenschub) gefordert, kann dies durch eine bewegliche, profilierte Klappe 17 erreicht werden (Fig. 6, 7).

Der mittlere Booster B kann aber beispielsweise auch den seit­ lichen Antrieben SA1 und SA2 entsprechen, um einen besseren Steuereffekt zu erhalten, d. h. es können alle drei Antriebe ge­ mäß einer der Fig. 4, 5, 6 bzw. 7 ausgelegt sein. Um anderen Betriebsanforderungen zu entsprechen, kann der Booster B aber auch gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 ausgebildet sein und die seitli­ chen Antriebe SA1, SA2 können gemäß Fig. 6, 7 ausgebildet sein, so daß alle drei Antriebe bezüglich der Austrittsrichtung des Wasserstrahls bei grundsätzlicher Vorwärtsfahrt verändert wer­ den; die seitlichen Antriebe SA1, SA2 können dann in Aktion treten, wenn die Fahrtrichtung ohne Wenden des Schiffes von Vorwärtsfahrt auf Rückwärtsfahrt verändert werden soll, wobei dann während der Vorwärtsfahrt alle drei Antriebe wirken, bei der Rückwärtsfahrt dagegen nur die beiden Seitenantriebe SA1 und SA2 bei in den Wasserstrahl eingeschwenkter Steuerklappe 17 wirksam sind. Schließlich kann auch der mittle­ re Antrieb B gemäß einer der Fig. 4 bis 6 bzw. 7 ausge­ bildet sein und die seitlichen Antriebe SA1 und SA2 können ge­ mäß dem Hauptpatent ausgebildet sein, d. h. rundum steuerbar sein.

Der erfindungsgemäße Antrieb ist unabhängig von seiner Verwen­ dung im Rahmen des oben erläuternden Konzepts gemäß Fig. 3 bau­ lich einfach, relativ leicht und kostengünstig zu fertigen. Das fest eingebaute, nicht drehbare Antriebsgehäuse bringt einen Kostenvorteil gegenüber dem rundum steuerbaren Wasserstrahlan­ trieb gemäß dem Hauptpatent. Es reicht eine einfache Gehäuse­ wand statt des Brunneneinbaus für das drehbare Gehäuse. Die aufwendige Steuerung für die Rundumsteuerbarkeit entfällt und wird durch einfache hydraulische oder mechanische Schieber oder dgl. (20) ersetzt. Die aufwendig gestaltete Bodenplatte, die die Düsenkonfiguration enthält, wird als einfacher, geschlosse­ ner Behälterboden ausgeführt, der lediglich noch die zentrale Ansaugöffnung umschließt.

Der erfindungsgemäße Antrieb entwickelt durch die einfachere Strömungsführung und den relativ höheren Wirkungsgrad der rück­ wärtigen Düse gegenüber einer Anlage nach dem Hauptpatent einen deutlich besseren Schub.

Der erfindungsgemäße Antrieb ist insbesondere konzipiert für den Einsatz in Verbindung mit Steuerantrieben hoher Manövrier­ fähigkeit, etwa gemäß dem Hauptpatent, wobei der vorliegende Antrieb durch die verbesserten Schubwerte bei gleichzeitig ein­ geschränkten Manövriereigenschaften hauptsächlich als wirt­ schaftliches Vortriebsorgan, die zusätzlichen Steuerantriebe dagegen hauptsächlich als Manövrierorgane eingesetzt werden (Fig. 3 in den oben erläuterten Varianten).

Claims (7)

1. Wasserstrahlantrieb für Schiffe, die zum Einsatz auch in fla­ chen Gewässern bestimmt sind, wobei ein halbaxial beschaufel­ tes Laufrad mit vertikaler Drehachse in einem brunnenförmigen Pumpengehäuse drehbar angeordnet ist, das eine obere Deckel­ platte aufweist, durch die von oben her der Antrieb für das Laufrad in das Pumpengehäuse eingeführt ist und das unten ei­ ne Bodenplatte aufweist, die einen in der Mitte angeordneten Wassereinlaß für die axiale Anströmung des Laufrades auf­ weist, wobei zwischen dem Austrittsende der Förderkanäle des Laufrades und zumindest einem Wasserauslaß des Pumpengehäuses ein Leitapparat angeordnet ist, der im wesentlichen ein zwi­ schen dem Pumpengehäuse und dem Laufradgehäuse konzentrisch zur Laufradachse angeordneter schaufelloser Ringkanal ist, in dem die Strömung aus der halbaxialen Richtung beim Verlassen des Laufrades (3) in eine Austrittsströmung gebracht wird, die mit der Anströmrichtung einen Winkel vorzugsweise etwa zwischen 160 und 200° einschließt nach Patent . . . (Pa­ tentanmeldung P 43 05 267.3), dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserauslaß eine Düse (8,10) im zylindrischen Teil des Pum­ pengehäuses (1) zwischen oberer Deckelplatte und unterer Bo­ denplatte (6) ist.

2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse feststehend in dem in der Hauptfahrtrichtung des Schiffes hinteren Teil der Gehäusewand des Pumpengehäuses an­ geordnet ist.

3. Wasserstrahlantrieb, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse eine Steuerdüse ist, die seitlich schwenkbar in der Gehäusewand des Pumpengehäuses angeordnet ist.

4. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Düse mindestens eine Steuerklappe zugeord­ net ist, die dreh- oder schwenkbar ist.

5. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Düse eine in den Düsenstrahl einschwenkbare Umlenkklappe zugeordnet ist.

6. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse durch die Steuerklappen im Betrieb dicht verschließbar ist.

7. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Antriebsboden auf der vorwärts gerichteten Seite eine, im normalen Betrieb verschlossene, aufschwenkbare Platte angeordnet ist, mit der sich das Gehäu­ se im Betrieb öffnen läßt.