DE69226963T2

DE69226963T2 - Strahlantriebsvorrichtung für schiffe mit einer schraube in einem tunnel

Info

Publication number: DE69226963T2
Application number: DE69226963T
Authority: DE
Inventors: Stefan Broinowsky
Original assignee: ADVADCED MARINE PROPULISION IN
Current assignee: Indrive Corp(ndgesdstaates Delaware) New Yor
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2012-02-28
Also published as: DK0626918T3; DE69226963D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Düsenantriebsgerät für ein Schiff mit Schiffsschraube in einem Tunnel und genauer ausgedrückt, auf eine Flügelradanordnung und einen Tunnelaufbau für eine Düsenantriebseinheit für ein Schiff mit Schiffsschraube in einem Tunnel gerichtet.

Hintergrund der Erfindung

Die Verwendung von Düsenantriebsvorrichtungen für Seeschiffe ist eine gut bekannte Technologie. Düsenantrieb hat viele Vorteile gegenüber der einfachen Schiffsschraube insbesondere hinsichtlich Manövrierbarkeit, und der Energieverbrauch eines Düsenantriebs ist wesentlich effizienter. Dennoch ist aufgrund bestimmter, mit Düsenantrieb von Schiffen verknüpfter allgemeiner Probleme noch keine weitverbreitete Anerkennung von Düsenantrieb für Seeschiffe erfolgt. Zum Beispiel wirft Düsenantrieb für Schiffe bedeutende Ausführungsprobleme aufgrund der ungewissen Leistung über einen breiten Bereich von Geschwindigkeiten, Wassertiefe, Seebedingungen usw. auf.
Überschüssige Wasseraufnahme am Einlaß der Düsenantriebseinheit kann Zusammenballung verursachen, d. h. überschüssigen Wasserdruck zwischen dem Schiffskörper und dem Einlaß, weil die Einheit nicht in der Lage ist, ein ausreichendes Volumen von Wasser während Schiffsmanövern oder schlechten Seebedingungen aufzunehmen. Zusammenballung erzeugt eine hohe Widerstandscharakteristik, die die Antriebsleistung nachteilig beeinflußt.
Kavitation ist ein weiteres allgemeines Problem. Kavitation bedeutet eine ungleichmäßige Belastung des Flügelrades. Kavitation kann durch übermäßige radiale Beschleunigung des Fluids, übermäßige Verwirbelung oder Turbulenz der Fluidsäule und unbeabsichtigte Teilverdampfung des Fluiddurchsatzes, die mit einem durch Flügelradtätigkeit erzeugten Vakuum verknüpft ist, erzeugt werden.
Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine Düsenantriebseinheit für Seeschiffe zu entwerfen, in der alle Merkmale synergistisch zusammen arbeiten, um eine konstante Wassersäule sogar bei hoher Abgabe zu gewährleisten, und in der der Wasserdurchsatz weder turbulent noch verwirbelt ist, um Kavitationseffekte zu beseitigen. Weiter sollte die Einheit eine maximale Flexibilität aufweisen, um den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Seeschiffs und variierende Belastungen auf der Einheit zu bewältigen, ohne die oben genannten Zusammenballungs- und Kavitationseffekte zu erzeugen.
Schließlich sollte die Einheit wirksam beim Verhindern des Einlasses von Fremdmaterialien sein, sie sollte also dafür ein schnelles Mittel zum manuellen Reinigen des Einlasses aufweisen, wenn eine Verschmutzung auftritt.
US-Patent-4,449,944, erteilt an Baker et al. offenbart eine variable Einlaßvorrichtung für einen Hydrodüsenbootsantrieb, die einen effizienten Übergang vom Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit zu Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Bootes zuläßt. Installiert im "Schlitz" eines Schiffskörpers mit "V"-förmigem Boden, weist der Antrieb eine aerodynamisch günstige Stauhutze mit einer Einblasetür oder -platte auf, die auf das Ungleichgewicht zwischen internem Strömungsdruck und externem Schraubenstromdruck reagiert.
Das US-Patent 3,543,713, erteilt an Slade, offenbart eine Antriebseinheit für ein Seeschiff, die durch Ablassen von Wasser aus einer Pumpe durch eine Öffnung arbeitet. Die Öffnung kann der gewünschten Antriebsrichtung entsprechend ausgerichtet sein.
Das US-Patent 3,680,315, erteilt an Aschauer et al., offenbart ein hydraulisches Düsenantriebsgerät für Boote, das eine Ablaßdüse mit veränderbarer Fläche aufweist.
Die australische Patentanmeldung 24907/88, eingereicht am 1. November 1988 und für öffentliche Einsicht veröffentlicht am 11. Mai, 1989, offenbart eine Schiffsantriebseinheit, die ein Gehäuse mit einer variablen Einlaßansaugung, einem ersten Satz von Schaufeln stxomabwärts der Ansaugung, einen Propeller/ein Flügelrad, einen zweiten Satz von Schaufeln stromabwärts des genannten Propellers und ein konvergierendes Ablaßgehäuse stromabwärts des genannten zweiten Satzes von Schaufeln aufweist. Die Verwendung von variablem Ansaugen durch die Einlaßöffnung soll ein Stauen während des Ansaugvorgangs und folglich Kavitation und Strömungswiderstand verringern. Die Schiffsantriebseinheit kann sowohl mit Außenbord- als auch mit Heckantriebs-Kraftübertragungen verwendet werden.
Das an Kuether erteilte US-Patent 3,302,605 offenbart ein Düsenantriebsgerät für Wasserfahrzeuge, das einen Steuermechanismus, welcher verbesserte Manövrierbarkeit gewährleisten soll, und eine Struktur von Propeller und Gehäuse besitzt, die effizient arbeiten und eine minimale Energiemenge benötigen soll.
Das an Fox erteilte US-Patent 3,187,708 offenbart eine Düsenantriebseinheit für Boote vollständig außerhalb des Schiffskörpers, welche die Struktur von Getriebekastenpropeller und Ruder der gewöhnlichen Motorbootanordnungen ersetzt.
Das an Klepacz et al. erteilte US-Patent 3,993,015 offenbart ein hydraulisches Antriebssystem für Wasserfahrzeuge, das die Bildung eines parallelwandigen Ansaugtunnels mit offenem Ende einschließt.
Andere US-Patente von Interesse umfassen 3.889,623 an Arnold; 3,827,390·an De Vault et al.; 3,233,573 an Hamilton; 4,133,284 an Holcroft; 3,868,833 an Noe et al.; 4,652,244 an Drury; 3,192,715 an Engel et al.; 3,598,080 an Shields; 3,620,019 an Munte; 3,842,787 an Giacosa; 3,624,737 an Keller; 4,718,870 an Watts; 4,643,685 an Nishida; 4,600,394 an Dritz; 3,782,320 an Groves Jr.; 3,776, 173 an Horwitz; 3,589,325 an Tattersall; 4,432,736 an Parramore; 3,788,265 an Moore; 4,474,561 an Haglung; und 4,925,408 an Webb at al.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine Düsenantriebseinheit für ein Seeschiff geschaffen, die aufweist:
einen zusammenlaufenden Ansaugabschnitt mit sich zusammenlaufend verjüngenden Wänden zum Aufnehmen von Wasser aus der Nähe der Einheit, wobei die genannten Wände zum Hemmen von Verwirbelung eine glatte Oberfläche haben;
einen Flügelradabschnitt zum Vergrößern der Energie von Wasser aus dem genannten Ansaugabschnitt;
einen Diffusorabschnitt zum Fördern der axialen Strömung von Wasser aus dem genannten Flügelradabschnitt;
einen schwenkbaren Ablaßabschnitt zum Ablassen von Wasser aus dem genannten Diffusorabschnitt in Form eines im wesentlichen pfropfenströmungsgerichteten Wasserstrahls;
ein in dem genannten Flügelradabschnitt angeordnetes zylindrisches Gehäuse mit einer inneren Oberfläche von allgemein einheitlichem Durchmesser;
eine konzentrisch in dem genannten zylindrischen Gehäuse angeordnete drehbare Nabe, die im axialen Querschnitt betrachtet eine äußere Oberfläche hat, welche einen konkaven Bereich und einen konvexen Bereich und einen Außendurchmesser aufweist, der sich von einem Minimum nahe dem genannten Ansaugabschnitt zu einem Maximum nahe dem genannten Diffusorabschnitt vergrößert;
eine Vielzahl von radial beabstandeten Flügelradflügeln, die an der genannten drehbaren Nabe befestigt sind und sich von der äußeren Oberfläche der genannten Nabe bis angrenzend an die innere Oberfläche des genannten zylindrischen Gehäuses erstrecken; wobei die genannten Flügel in einem Winkel bezüglich der Längsachse der genannten drehbaren Nabe geneigt sind;
eine in dem genannten Diffusorabschnitt angeordnete innere Oberfläche, die sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem genannten Flügelradabschnitt zu einem minimalen Durchmesser nahe dem genannten Ablaßabschnitt verjüngt;
eine feste Nabe, die konzentrisch in dem genannten Diffusorabschnitt angeordnet ist und eine konvexe äußere Oberfläche aufweist, welche sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem genannten Flügelradabschnitt zu einem distalen Endpunkt nahe dem genannten Ablaßabschnitt verjüngt, wobei die genannte äußere Oberfläche der festen Nabe und die genannte innere Oberfläche einen Ring in dem genannten Diffusorabschnitt begrenzen, der eine allgemein zusammenlaufende Querschnittsfläche hat;
eine Vielzahl von radial beabstandeten Diffusorschaufeln, die sich von der genannten äußeren Oberfläche der festen Nabe zu der genannten inneren Oberfläche des Diffusorabschnitts erstrecken, wobei die genannten Diffusorschaufeln wenigstens einen distalen Bereich aufweisen, der parallel zu einer Längsachse der genannten festen Nabe nahe dem genannten Ablaßabschnitt ist;
ein zwischen der genannten drehbaren Nabe und der genannten festen Nabe angeordnetes Lager; und
Mittel zum Drehen der genannten drehbaren Nabe bezüglich der genannten festen Nabe.
Einer bevorzugten Ausführungsform zufolge schafft die vorliegende Erfindung eine Düsenantriebseinheit für Schiffsschrauben in einem Tunnel zur Anordnung im hinteren Teil eines anzutreibenden Seeschiffes. Die Einheit umfaßt einen Tunnel mit Düsenströmungscharakteristiken auf einer volumetrischen Basis und eine zusätzliche Flügelradanordnung, die die Einheit befähigt, über eine breite Vielfalt von Bedingungen, die mit Geschwindigkeitsänderung, Manövrierbarkeit und Seebedingungen verknüpft sind, ohne Kavitation oder Zusammenballung zu arbeiten. Zusätzliche Merkmale umfassen ein Zusammenballung entgegen wirkendes Umgehungsventil zum Verringern von übermäßigem Druck im Ansaugabschnitt und einen Trimmungseinstellmechanismus.
Die Düsenantriebseinheit für Schiffsschrauben in einem Tunnel für ein Seeschiff weist einen zusammenlaufenden Ansaugabschnitt mit sich zusammenlaufend verjüngenden Wänden zum Aufnehmen von Wasser aus der Nähe der Einheit; einen Flügelradabschnitt zum Vergrößern der Energie von Wasser aus dem genannten Ansaugabschnitt; und einen Diffusorabschnitt zum Fördern der axialen Strömung des Wassers aus dem Flügelradabschnitt auf. Der Ablaßabschnitt ist schwenkbar zum Ablassen von Wasser aus dem Diffusorabschnitt in Form eines gerichteten Wasserstrahls. In dem Flügelradabschnitt ist ein zylindrisches Gehäuse mit einer inneren Oberfläche von allgemein einheitlichem Durchmesser angeordnet. In dem zylindrischen Gehäuse ist konzentrisch eine drehbare Nabe angeordnet, die eine Außenfläche mit konkaven und konvexen Bereichen und einen Außendurchmesser aufweist, der sich von einem minimalen Außendurchmesser nahe dem Ansaugabschnitt zu einem maximalen Außendurchmesser nahe dem Diffusorabschnitt vergrößert. Eine Vielzahl von radial beabstandeten Flügelradflügeln sind an der drehbaren Nabe befestigt und erstrecken sich von der äußeren Oberfläche der Nabe bis angrenzend an die innere Oberfläche des zylindrischen Gehäuses. Die Flügel sind in einem Winkel bezüglich einer Ebene geneigt, die eine Längsachse der drehbaren Nabe enthält. Eine im Diffusorabschnitt angeordnete innere Oberfläche verjüngt sich nach innen von einem maximalen Durchmesser nahe dem Flügelradabschnitt zu einem minimalen Durchmesser nahe dem Ablaßabschnitt. In dem Diffusorabschnitt ist konzentrisch eine feste Nabe angeordnet, die eine Außenfläche aufweist, welche sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem Flügelradabschnitt zu einem distalen Endpunkt nahe dem Ablaßabschnitt nach innen verjüngt. Die äußere Oberfläche der festen Nabe und die innere Oberfläche des Diffusorabschnitts begrenzen einen Ring in dem Diffusorabschnitt mit einer allgemein zusammenlaufenden Querschnittfläche. Eine Vielzahl von radial beabstandeten Diffusorschaufeln erstrecken sich von der äußeren Oberfläche der festen Nabe zur inneren Oberfläche des Diffusorabschnitts. Die Diffusorschaufeln weisen wenigstens einen distalen Bereich auf, der parallel zu einer Längsachse der festen Nabe nahe dem Ablaßabschnitt ist. Ein Lager ist zwischen der drehbaren Nabe und der festen Nabe mit einem Mittel zum Drehen der drehbaren Nabe bezüglich der festen Nabe angeordnet.
Die Ansaugpassage hat vorzugsweise eine querlaufende Einlaßquerschnittsfläche, die in einem Verhältnis von etwa 1,5 bis etwa 2,5 : 1 proportional zu einer Einlaßquerschnittsfläche des Flügelradabschnitts ist. Eine Armlochleitung ermöglicht einen schnellen Zugang zu der Einlaßpassage und ein oder mehrere sicher entlang einer inneren Umrißfläche befestigte Begradigungsschaufeln dämpfen die Drehung der herein fließenden Strömung. Der Flügelradabschnitt umfaßt vorzugsweise ein Umgehungsventil, das stromaufwärts der Flügelradflügel zum Hemmen von Zusammenballung angeordnet ist. Der Querschnitt des Flügelradabschnitteinlasses ist in einem Verhältnis von etwa 0,50 bis 0,75 : 1, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,60 bis 0,70 : 1 und optimal etwa 0,64 : 1 proportional zu dem Querschnitt des Diffusorabschnittauslasses.
Der Ablaßabschnitt weist vorzugsweise eine Düse mit variabler Öffnung, die um 360º durch einen Steuermechanismus gedreht werden kann, und eine Trimmungseinstellung auf, die die Düse anhebt und absenkt, um die Trimmung des Schiffes einzustellen. Eine oder mehrere Begradigungsschaufeln sind an einer inneren Oberfläche der Düse befestigt und Speichenschaufeln werden zur Befestigung des Steuermechanismus verwendet. Der Querschnitt des Ablaßabschnittauslasses ist vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,25 bis etwa 0,50 : 1, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,30 bis etwa 0,40 : 1 und optimal etwa 0,35 : 1 proportional zu einem Querschnitt des Flügelradabschnitteinlasses.
Das gesamte System liefert einen Strömungsdurchfluß bei niedrigem Widerstand, wobei interne Behinderungen für die Strömung verringert sind und die zusammenlaufenden Abschnitte glatt und graduell sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein teilweise weggeschnittener Längsquerschnitt, der die Düsenantriebseinheit mit Schiffsschraube in einem Tunnel in den Begrenzungen eines Seeschiffs in Vorwärtsschubposition und in Rückwärtsschubposition zeigt.
Fig. 2 ist eine darstellenden Ansicht einer Düsenantriebseinheit mit Schiffsschraube in einem Tunnel der vorliegenden Erfindung aus Fig. 1 in Stellung in einem Seeschiff.
Fig. 3 ist eine winkelförmige perspektivische Außenansicht des Ansaugabschnitts der Düsenantriebseinheit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine perspektivische Vorderansicht der Einheit von Fig. 3 entlang der Linien 4-4.
Fig. 5 ist eine perspektivische Bodenansicht des Ansaugabschnitts der Düsenantriebseinheit von Fig. 3 entlang der Linien 5-5.
Fig. 6 ist eine perspektivische Seitenansicht der Pumpen- und Ablaßabschnitte der Düsenantriebseinheit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine perspektivische Rückansicht des Pumpen- und Ablaßabschnitts der Düsenantriebseinheit in Fig. 6 entlang der Linie 7-7.
Fig. 8 ist eine perspektivische Querschnittansicht der Düsenantriebseinheit in Fig. 1 entlang der Linien 8-8, die die Schaufel- und Nabenanordnung zeigt.
Fig. 9 ist eine perspektivische Querschnittansicht der Düsenantriebseinheit von Fig. 1 entlang der Linien 9-9, die die Schaufel- und Nabenanordnung zeigt.
Fig. 10 ist eine fragmentartige perspektivische Ansicht entlang der Linien 10-10 der Einheit von Fig. 1, die die Einlaßfläche einer Flügelradanordnung zeigt.
Fig. 11 ist eine fragmentartige perspektivische Ansicht entlang der Linien 11-11 der Einheit von Fig. 1, die die Ablaßfläche der Flügelradanordnung zeigt.
Fig. 12 ist ein winkelförmige perspektivische Ansicht der Flügelradanordnung.
Fig. 13 ist eine perspektivische Seitenansicht einer Diffusorschaufelanordnung.
Fig. 14 ist eine axiale Ansicht der drehbaren Nabe.
Fig. 15 ist eine axiale Ansicht der festen Nabe.
Fig. 16 ist eine Ansicht einer doppelten Nabenanordnung in Längsquerschnitt.
Fig. 17 ist eine perspektivische Seitenansicht der Flügelradanordnung von Fig. 12, die einen Flügelradflügel befestigt zeigt.
Fig. 18 ist eine perspektivische Seitenflächenansicht eine Flügelradflügels.
Fig. 19 ist eine ebene perspektivische Ansicht entlang einer inneren Länge des Flügelradflügels.
Fig. 20 ist eine ebene perspektivische Ansicht entlang eines Randes des Flügelradflügels, die eine Neigung in dem Flügel zeigt.
Fig. 21 ist eine ebene perspektivische Ansicht entlang eines zweiten Randes des Flügelradflügels, die die Neigung in dem Flügelradflügel zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Entdeckung, daß eine wesentlich vergrößerte Antriebsleistung erhalten werden kann, indem man die hindurchfließende Wassermasse auf einer volumetrischen Basis zusammenlaufen läßt, wie es durch Fluidströmung durch eine Düse gezeigt ist. Oder, mit anderen Worten, verkleinert sich die axiale Querschnittströmungsfläche im wesentlichen einheitlich vom Einlaß zum Auslaß. Die Verwendung einer volumetrischen Düsenausführung in der vorliegenden Erfindung verringert Verwirbelung und verstärkt den Pfropfenströmungscharakter des Wasserstroms.
Bezugnehmend auf die Fig. 1-2 wirkt die Einheit 11 ähnlich wie eine Axial- oder Turbinenpumpe, die einen sich zwischen Linien A-A bis B-B erstreckenden Ansaugabschnitt I, einen sich zwischen Linien B-B bis C-C erstreckenden Flügelradabschnitt P und einen Ablaßabschnitt D zwischen den Linien C-C bis E-E umfaßt. Eine in den Einlaßdurchgang 23 angesaugte Wassersäule wird aktiviert und durch den Ablaßabschnitt beschleunigt, um Schub für ein Schiff 10 zu liefern.
Das Seeschiff 10 hat die Düsenantriebseinheit 11 für Schiffsschrauben in einem Tunnel in dem hinteren Abschnitt installiert, so daß der Ansaugabschnitt I der Einheit 11 in den Bodenschiffskörper 9 zwischen Befestigungsblöcken 7 eingebaut ist, und der Ablaßabschnitt D der Einheit 11, der durch Querträger 5 gehalten wird, erstreckt sich aus der Rückseite des Schiffs heraus anstelle eines gewöhnlichen Flügelrads. Die Einheit 11 ist diagrammartig in zwei ihrer Schubpositionen gezeigt: F - Die Vorwärtsantriebsposition und R - die Rückwärtsantriebsposition. Eine Antriebsmaschine 13 ist direkt an einer Flügelradwelle 32 befestigt und eine Steuerverbindung 15 ist an dem Steuermittel S der Antriebseinheit 11 befestigt.
Bezugnehmend auf die Fig. 1, 4 und 5 definiert der Ansaugabschnitt I genauer ausgedrückt einen Ansaugdurchgang 23 in einem Gehäuse 12, der zwischen einer Ansaugöffnung 22, die in der Bodenfläche des Schiffskörpers an einem Ende gebildet ist, und der Ansaugöffnung 24 zum dem Flügelradabschnitt P am anderen Ende kommuniziert. Der Durchgang 23, der zu Beginn rechteckig ist, hat zwei vertikale Wände 152, eine lange geneigte Wand 153 und eine kurze geneigt Wand 155, die an einer Krümmung 156 zu einer zylindrische Kammer zusammenlaufen. Nach der Krümmung 156 ist der Durchgang 23 zylindrisch. Zusammenlaufende Wände des Durchgangs 22 sind an Schnittstellen geeignet geglättet und abgerundet, um Strömung ohne Verwirbelung zu vereinfachen. Typischerweise variiert der Winkel der Krümmung 156 von etwa 40 bis etwa 45 Grad abhängig von einer spezifischen Ausführungsanforderung. Die Querschnittfläche der Ansaugöffnung 22 ist vorzugsweise in einem Verhältnis, das von etwa 1,5 bis etwa 2,5 : 1 variiert, proportional zu der Querschnittfläche des Einlasses 24 zu einem Flügelrad 33.
Entlang der Ansaugwände des Einlaßgehäuses 12 sind eine oder mehrere Begradigungsschaufeln 154 angeordnet. Richtungsschaufeln 154 sind radial entlang der Oberfläche des Einlaßgehäuses 12 beabstandet, so daß gleiche Volumen von Wasser zum Umfang des Flügelrads 33 geleitet werden können. Schaufeln 154 minimieren radiale Belastungen auf dem Flügelrad 33 für optimierte Strömungsleistung. Die Schaufeln 154 arbeiten auch, um jegliche vorläufige Verwirbelung und Turbulenz in der Einlaßwassersäule zu dämpfen.
Innerhalb des Durchgangs 23 ist, wie in Fig. 5 zu sehen, ein Ansaugrost 176 nahe der Schiffskörperöffnung 22 angeordnet. Der Rost 176 ist typischerweise eine Bespannung aus parallelen Stäben, die längs des Schiffskörpers 9 angeordnet sind. Die Stäbe des Rosts 176 haben einen stromlinienförmigen oder Tragflügelquerschnitt in der Richtung der hinein fließenden Strömung, um minimalen Widerstand gegen die Wasserströmung zu erzeugen. Der Abstand zwischen den Stäben des Rosts 176 sollte vorzugsweise nicht den Abstand zwischen Diffusorschaufeln 40 überschreiten, um den Eintritt großer Gegenstände, die nicht durch die Einheit 11 hindurch gelangen können, zu verhindern.
Wenn Verschmutzung innerhalb des Gehäuses 12 auftritt, ist eine Armlochleitung 100 vorgesehen, um schnellen Zugang zum Durchgang 23 zu ermöglichen. Die Leitung 100 ist an der Krümmung 156 angeordnet und weist ein zylindrisches Gehäuse 101 mit einem Außenflansch 102 und einem Pfropfen 106 auf. Der Pfropfen 106 ist mit einem festen Abschnitt 104 versehen, der an einem geflanschten Deckel 108 befestigt ist, welcher das Leitungsgehäuse 101 vollständig füllt. Der Abschnitt 104 ist mit einer glatten Umrißfläche 103 versehen, die dem Oberflächenabschnitt entspricht, der in der Krümmung 156 aus dem Gehäuse 12 entfernt wird, wenn die Leitung 100 installiert wird. Die Leitung 100, wenn sie richtig eingestöpselt ist, stellt keinen zusätzlichen Widerstand für die Strömung oder einen Bereich von Strömungsunterbrechung dar. Der Flansch 102 ist mit hochstehenden Gewindeschrauben 109 versehen, die in Bohrungen im Flansch 108 eingeführt werden, so daß der Pfropfen 106 bei seiner Installierung richtig ausgerichtet werden kann. Ein an dem Deckel 106 befestigter Griff 107 sorgt für zusätzliche Ausrichtungsindizien.
Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Umgehungsventilanordnung 172, die in dem Gehäuse 12 nahe dem in Fig. 1 gezeigten Einlaß 24 angebracht ist. Überschüssiges Wasser wird durch die Umgehungsventilanordnung 172 abgelassen, wenn der Wasserdruck zwischen dem Schiffskörper 10 und dem Ansaugeinlaß 22 Handhabungskapazität überschreitet. Der umgangssprachlich als Zusammenballung bekannte Aufbau von überschüssigem Wasser ist ein gewöhnliches Ereignis in Düsenantriebseinheiten für Schiffe. Wenn Zusammenballung bei hohen Schiffsgeschwindigkeiten, wenn das Schiff scharfen Manövern ausgesetzt wird, und/oder während rauher Seebedingungen auftritt, bewirkt es eine hohe Widerstandscharakteristik auf den Schiffskörper 10 und beeinflußt die Antriebsleistung der Einheit 11. Die Ventilanordnung 172 funktioniert als eine gegen Zusammenballung wirkende Einrichtung, um damit verknüpften Druck zu vermindern.
Der Einlaßabschnitt I ist im hinteren Abschnitt des Schiffskörpers installiert, so daß eine Vorwärtsbewegung des Schiffs und anschließende Erhöhung über die Wasseroberfläche eine Anordnung des Ansaugabschnitts I etwas unterhalb der Wasserhöhe des Schiffskörpers ermöglicht. Für einen richtigen Betrieb während einer Ruhephase oder bei einer niedrigen Geschwindigkeit sollte die Einheit jedoch so installiert sein, daß wenigstens etwa 60 bis 70 Prozent der Querschnittfläche des Flügelrads 33 untergetaucht ist. Der Ansaugabschnitt I ist zum Beispiel mittels eines Flanschs 150 an den Schiffskörper geschraubt.
Der Flügelradabschnitt P der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist von Linie A-A bis Linie B-B so gezeigt, daß er nur eine einziges Stufenflügelrad enthält. Die Flügelradanordnung weist ein entfernbares Gehäuse 31, das aus zwei kleineren Abschnitten aufgebaut ist, ein Flügelradgehäuse 14 und ein Diffusorgehäuse 16 mit einem Flügelrad 33 und einem Diffusor 35 auf. Das Flügelradgehäuse 14 ist zylindrisch mit einem allgemein einheitlichen Durchmesser an der Einlaßöffnung 24 und der Auslaßöffnung 26. Das Diffusorgehäuse 16 ist zylindrisch mit einer Innenfläche, die sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem Flügelradabschnitt I zu einem minimalen Durchmesser nahe dem Ablaßabschnitt D nach innen verjüngt. Die zusammenlaufende Innenfläche 39 des Diffusorgehäuses 16 hat eine Auslaßquerschnittfläche 28, die vorzugsweise in einem Verhältnis, das von etwa 0,5 bis 0,75 : 1 variiert, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,60 bis etwa 0,70 : 1 und optimal etwa 0,64 : 1 proportional zu der Querschnittfläche der Ansaugöffnung 24 des Flügelradabschnitts ist, so daß die volumetrische Verschiebung des Diffusorabschnitts kleiner als die volumetrische Verschiebung des Flügelradabschnitts ist. Die volumetrische Verschiebung des Diffusorabschnitts beträgt von etwa 75 bis etwa 90 Prozent der volumetrischen Verschiebung des Flügelradabschnitts, vorzugsweise von etwa 80 bis etwa 90 Prozent der volumetrischen Verschiebung des Flügelradabschnitts und optimal 85 Prozent. Darüber hinaus weist der ringförmige Strömungskanal, der durch die Kombination aus axialem Flügelrad/Diffusornabe in dem Flügelradgehäuse 31 gebildet wird, glatte, im wesentlichen angrenzende Innen- und Außenflächen zum Verhindern turbulenter Grenzwirbel auf. Ein wichtiges Ausführungskriterium des Flügelradabschnitts P besteht darin, daß die Querschnittfläche des Flügelradgehäuses 14 und des Diffusorgehäuses 16 an dem Verbindungspunkt 26 die gleiche sein sollte.
Unter besonderer Bezugnahme auf einzelne Teile des Flügelradabschnitts P hat die Flügelradanordnung 33 eine einzigartige Ausführung, die vorhergehend vielen Prüfungen und Modifikationen sowohl bezüglich der Form eines Nabenteils 34 und der Flügelradflügel 36 unterzogen worden ist, siehe Fig. 10-12, 14, 16-21. Ein wesentlicher Aspekt des Flügelrads 33 besteht darin, daß Flügelradflügel 36 hohle abgeflachte Flügelabschnitte, die entlang einer sich nach außen verjüngenden konvexen Oberfläche 58 des Nabenteils 34 wie in Fig. 16 zu sehen befestigt sind, anstelle eines flachen Abschnitts darstellen, wie es typisch in der Ausführung des Standes der Technik ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 14 und 16 hat eine Flügelradnabe 34 vorzugsweise eine konvexe Oberfläche und einen ringförmigen Innenraum, stärker bevorzugt hat die Nabe 34 eine Außenfläche, die einen konkaven Bereich mit einem vorderen Ende 60 mit schmalem Durchmesser, einen Mittelteil 58 mit zunehmendem variablem Durchmesser und einen konvexen Bereich mit einem hinteren Ende 56 mit großem Durchmesser (betrachtet im axialen Querschnitt) und ringförmigem Innenraum aufweist. Die Gesamtform der Flügelradnabe 34 ist so ausgeführt, daß das zusammenlaufende volumetrische Verhältnis in dem innerhalb des zylindrischen Flügelradgehäuse 14 gebildeten ringförmigen Raum in dem Ansaugabschnitt der Antriebseinheit der vorliegenden Erfindung beginnt und das durch die Flügelradflügel 36 verschobene Volumen kompensiert. Ein distales Ende 66 der Welle 32 erstreckt sich durch eine konzentrische axiale Bohrung 63 über die Länge der Nabe 34. Das vordere Ende 60 hat eine ringförmige Endfläche, die gegen eine Schulter 68 an der Welle 32 anliegt, um eine glatte kontinuierliche Oberfläche für Fluidströmung vorzusehen. Ringförmige Wände der Nabe 34, die durch konzentrische ringförmige Aushöhlungen 65 und 62 gebildet werden, haben im wesentlichen eine konstante Dicke unter Ausnahme eines distalen ringförmigen Endes 64, das sich von der Bohrung 63 nach außen erstreckt, wodurch eine ergreifbare Oberfläche für eine Verschlußschicht 73 bereitgestellt wird.
Wie in den Fig. 10-12 und 17-21 zu sehen ist, weist das Flügelrad 33 Flügel 36 mit hohlen abgeflachten Abschnitten auf, die entlang der Umrißfläche des Nabe 34 mit einer Neigung befestigt sind, die dazu ausgeführt ist, die Flügel dem hindurch fließenden Fluid maximal auszusetzen und die durch das Flügelrad 33 erteilte radiale Beschleunigungskomponente zu verringern. Bezugnehmend auf Fig. 18 haben die Flügel 36 vorzugsweise einen konvexen Außenradius 90, einen konkaven Innenradius 86, eine kurze Hinterkante 88, eine lange Vorderkante 84, Seiten 92 mit breiter Oberfläche mit einem Mittelpunkt P, und eine Dicke 91.
Die Neigung der Flügelradflügel 36 ist definiert als eine durchschnittliche Neigung oder ein Verdrehungsgrad in der Länge der Flügel 36, wie aus dem Lot unter Bezugnahme auf eine Linientangente zur Außenfläche der Nabe 34 an der Vorderkante 84 und an der Hinterkante 88 bestimmt wird. Wenn entweder entlang des Innenradius 86 oder des Außenradius 90 wie in den Fig. 17-19 betrachtet, oder wenn entlang der Vorder- oder Hinterkante des Flügels hinab betrachtet, wie in den Fig. 20 und 21 zu sehen ist, liegt ein durchschnittlicher Neigungswinkel beider Kantenseiten vorzugsweise in einem Bereich von etwa 20-40 Grad vom Lot entfernt, stärker bevorzugt etwa 30 Grad vom Lot entfernt, wobei eine Kante entgegengesetzt der anderen wie durch den Flügel erfordert 36 geneigt ist, um dem Umriß der Nabenoberfläche 34 zu folgen. Die Vorderkante ist in die Bewegungsrichtung der Flügelraddrehung verdreht. Es wird erkannt werden, daß die Vorderkante 84 dem Vorderende 60 der Nabe 34 entspricht, die einen schmalen Durchmesser hat, und die Hinterkante 88 dem Hinterende 56 der Nabe 34 entspricht, und daß die radiale Breite des Mittelabschnitts des Flügels 36 eine Funktion des Radius des Mittelabschnittsbereichs 58 der Nabe 34 ist, so daß der Flügelraddurchmesser im wesentlichen konstant ist. Die Gesamtlänge des Flügels 36 ist gleich der Länge der Nabe 34 plus der winkelförmigen Komponente.
Der Flügel 36 hat im Querschnitt ein stromlinienförmiges Profil, das eine Behinderung der Strömung minimiert. In einer radialen Richtung ist die Dicke 91 des Flügels 38 im wesentlichen einheitlich. Die Vorder- oder Hinterkarten 84 und 88 haben eine im wesentlichen einheitliche Verjüngung mit einer maximalen Dicke an einem Mittelpunkt, der annähernd die gleiche Entfernung zu jeder Kante aufweist.
Die Fig. 10-12 zeigen einen typischen Flügelfächer aus fünf sich entlang der Nabe 34 erstreckenden Flügeln, die Anzahl der. Flügel, der Flügelraddurchmesser und der Neigungsgrad können jedoch in Bezug auf die durch die Antriebsmaschine 13 zugeführte Energie und hinsichtlich Ausführungsüberlegungen des betreffenden Schiffs optimiert werden.
Der Diffusor 35, wie in Fig. 2, Fig. 8 und 9 und Fig. 14 zu sehen (auch manchmal bekannt als Confusor), ist unmittelbar neben dem Flügelrad 33 angeordnet und ist so ausgeführt, daß er in Verbindung mit dem Flügelrad 33 zum Erreichen mehrerer wichtiger Leistungsfunktionen zusammenarbeitet: (1) Dämpfen einer durch das Flügelrad 33 erteilten radialen Beschleunigungskomponente; (2) Verbreiten des Weges des Wasserdurchsatzes über den gesamten Querschnitt der Flügelradfläche; (3) Verhindern von Teilverdampfung des hindurch fließenden Fluids, die aus einem mit Flügelradtätigkeit verknüpften Vakuum resultiert, durch Beaufschlagen eines niedrigen künstlichen Gegendrucks auf das Flügelrad 33; und (4) Ermöglichen maximaler Reaktion des Flügelrads und Zulassen einer wirksameren Übertragung der der Antriebsmaschine zur Verfügung stehenden Energie. Eine jegliche Menge von vorhandenem Dampf würde eine ungleichmäßige Belastung des Flügelrads 33 und Kavitation verursachen.
Die Diffusornabe 38, wie in den Fig. 15-16 zu sehen, hat vorzugsweise eine sich nach innen verjüngende konvexe Oberfläche und einen ringförmigen Innenraum, der in Bezug auf die Nabe 34 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Nabe 38 weist ein Vorderende 42 mit großem flachen Durchmesser, einen Mittelabschnitt 44 mit abnehmendem variablem Durchmesser und ein Hinterende 46 mit kleinem Durchmesser, das einen abgerundeten Vorsprung mit einer konzentrischen Bohrung 48 bildet, die durch die Mitte desselben gebohrt ist, und eine mittige ringförmige Endverlängerung 54 auf. Die Gesamtform der Diffusornabe 38 ist so ausgeführt, daß das zusammenlaufende volumetrische Verhältnis in dem innerhalb des Diffusorgehäuses 16 gebildeten ringförmigen Raum begonnen in dem Ansaugabschnitt und fortgesetzt in dem Flügelradgehäuse der Antriebseinheit der vorliegenden Erfindung aufrechterhalten wird. Eine konzentrische äußere ringförmige Aushöhlung 52 ist primär zur Verringerung von überschüssigem Gewicht vorgesehen, die die Nabe 38 mit Wänden von im wesentlichen konstanter Dicke versieht. Eine konzentrische innere ringförmige Bohrung 50 durch den verlängerten Teil 54 definiert ein zylindrisches Gehäuse für ein Lager 82. Die Bohrung 50 hat einen verkleinerten Durchmesser im Vorsprungabschnitt 46 der Nabe 38, wie es durch Kriterien der Ausführungsstabilität erforderlich ist.
Die Ausführung der Diffusorflügel basiert typischerweise auf der Ausführung von geraden Standardschaufeln mit der Ausnahme bedeutender, in die Schaufeln 40 eingebauter Änderungen, die mit dem Oberflächenumriß der Diffusornabe 38 verknüpft sind. Die Schaufeln 40 haben eine radiale Breite, die eine Funktion eines Durchmessers der Nabe 38 ist, so daß der Diffusor 35 einen konstanten Durchmesser hat. Die Dicke jedes Flügels kann stromlinienförmig sein oder kann typischerweise überall eine einheitliche Dicke haben mit Ausnahme einer Kantenseite, die kantig oder zugeschärft sein kann, wie es die Feinabstimmung der Ausführung erfordert. Schaufeln 40 weisen eine Vorderkante 41, die in einer Richtung entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Flügelrads 33 gekrümmt ist, und einen geraden Abschnitt auf, der typischerweise perpendikular zu der Nabenfläche ist, folglich also in einem Winkel von bis zu 10 Grad von einer orthogonalen Ebene entfernt geneigt sein kann, die die Nabe am Verbindungspunkt halbiert und entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Flügelrads 33 abhängig von der Leistungsfeinabstimmung ist. Das gekrümmte Ende 41 ist typischerweise in einem Winkel von etwa 10 bis etwa 40 Grad von einer Längsebene entfernt, die die Nabe halbiert, und enthält einen geraden Teil 43. Die Schaufeln 40 sind sicher der Länge nach an einem Ende der Umrißfläche der Nabe 38 und an dem anderen an den Innenwänden des Gehäuses 16 befestigt und liefern tragenden Halt für die Lagerfunktion der Nabe 38. Die Anzahl von Diffusorschaufeln wird unter Berücksichtigung der Anzahl von Flügelradflügeln in einem solchen Verhältnis gewählt, das Leistungskriterien des Diffusorabschnitts, z. B. Gegendruck und Dämpfen von radialer Beschleunigung, erreicht werden, und daß Resonanz- und Lärmpegel minimiert werden. Bei einem wichtigen Ausführungsmerkmal ist das Verhältnis von Flügelrädern zu Diffusoren ungerade : gerade oder umgekehrt. Zum Beispiel wäre bei 3, 5 oder 7 Flügelradflügeln die entsprechende Anzahl von Diffusorschaufeln vorzugsweise 4, 8 oder 10. Insgesamt ist der Diffusor ausgeführt, um die Form der Wasserströmung und die entsprechende Beschleunigung über einen großen Druckunterschied zu steuern, der durch einen breiten Bereich von Schiffsgeschwindigkeiten, Manöver und Seebedingungen dargestellt wird.
Die Flügelradanordnung P, wie in Fig. 1 zu sehen, ist axial symmetrisch in dem zylindrischen Flügelradgehäuse 31 angeordnet, wobei die Diffusoreinrichtung 35 in dichter Nähe hinter der Flügelradeinrichtung 33 angebracht ist. Die Außenfläche des hinteren Endes 56 an der drehbaren Nabe 34 ist, wie in Fig. 16 zu sehen ist, im wesentlichen kontinuierlich mit der Außenfläche des vorderen Endes 42 an der festen Nabe 38. Die Flügelradanordnung P ist so angeordnet, daß diese Anordnung einfach und schnell zur Wartung entfernt oder ersetzt werden kann, um ein Anpassen des Flügelrads und des entsprechenden Diffusors an die Antriebsmaschine 13 und Schiffsausführungsanforderungen zu ermöglichen. Das Flügelradgehäuse 14 kann eine auswechselbare Verschleißhülse 170 aufweisen, durch die der Durchmesser des Gehäuses 14 entsprechend der Verkleinerung des Durchmessers des Flügelrads 33 verkleinert werden kann.
Auf diese Weise kann eine Flügelradanordnung mit kleinerem Durchmesser für kleinere Schiffe verwendet werden. Es gibt jedoch keine Begrenzung bezüglich Hochleistung oder Schiffsgröße und die Einheit 11 kann eine proportional vergrößerte Kapazität für große Schiffe oder für höhere Geschwindigkeit aufweisen.
Die sich axial durch die Einheit 11 erstreckende Flügelradwelle 32 ist mit einem ersten Lagergestell durch die Lageranordnung 140, die an dem Einlaßgehäuse 12 befestigt ist, und mit einem zweiten Lagergestell an der festen Nabe 38 versehen. Die Lageranordnung 140 umfaßt ein Gehäuse 142, ein Rollenlager 144 und einen Verriegelungsring 146. Die Lageranordnung 140 kann weiter ein Getriebegehäuse (nicht gezeigt) für Einheitsübersetzung in eine besondere Antriebsmaschinenanforderung einschließen.
Die Welle 32, wie sie in Fig. 16 zu sehen ist, ist mit einer Schulter 68 und einem konzentrischen distalen Abschnitt 66 versehen, der Abschnitte 70 und 72 mit zunehmend kleinerem konzentrischem Durchmesser aufweist. Das Flügelrad 33 gleitet auf den Abschnitt 66 der Welle 32, so daß das ringförmige Ende der Vorderkante 60 an der Nabe 34 gegen die Schulter 68 anliegt, um eine glatte kontinuierliche Oberfläche für Fluidströmung bereitzustellen. Eine ringförmige Verriegelungshülse 73 mit einem proximalen ringförmigen Ende 74, das einen größeren Durchmesser als ein minimaler Durchmesser des distalen ringförmigen Ende 64 aufweist und sich von der Nabenbohrung 63 nach außen erstreckt, ergreift das ringförmige Ende 64, das das Flügelrad 33 sicher gegen die Schulter 68 an der Welle 32 hält. Ein Abdichtungsring 78 und eine Verriegelungsschraubenmutter 80 befestigen die Hülse 73. Ein distaler Abschnitt 72 der Welle 32 ist zum Verriegeln der Schraubenmutter 80 mit einem Gewinde versehen.
Eine Kombination aus Standardkeil (nicht gezeigt) und Keilnut 67 tritt synchron mit dem Flügelrad 33 auf der Welle 32 in Eingriff.
Die Lagerhülse 82 wird in den mittige ringförmigen Teil 54 des Nabengehäuses 38 eingeführt. Die Anordnung wird vervollständigt, indem der Wellenteil 70 mit der Hülse 73 durch das Lager 82 eingeführt wird, so daß der Zwischenraum zwischen den Naben 34 und 38 etwa 1/8 Zoll (ca.. 0,31 cm) beträgt. Eine Bohrung 48 im Vorsprungende 46 der festen Nabe 38 liefert einen Ausgang für Wasser, das das Äußere des Lagers 82 umspült. Das Lager 82 ist selbstschmierend, selbstkühlend und selbstspülend, was typisch für Lager ist, die in Schiffanwendungen verwendet werden.
Ein Mittel zum Verbinden des Flügelradabschnittgehäuses 14 mit dem Ansauggehäuse 12 und eines Düsengehäuses 20 mit einem Ablaßgehäuse 18 umfaßt identische Ringklemmen 110, die durch Schrauben 113 innerhalb der Klemme festgezogen werden, die über an den jeweiligen Abschnitten befestigte entsprechende Flanschs 112 paßt. Die Klemme 110 weist typischerweise zwei halbkreisförmige, mit einer Nut versehene Teile auf, die an einem Gelenk 111 befestigt sind. Zusätzliche Verbindungsmittel umfassen entsprechende Flanschverbinder, wobei zwischen dem Flügelradgehäuse 14 und dem Diffusorgehäuse 16 Flanschs 114 und 116 und zwischen dem Diffusorgehäuse 16 und dem Ablaßgehäuse 18 Flanschs 118 verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Gummidichtung 115 dazwischen verwendet. Die Gummidichtung 115 ist typischerweise ein O-Ring oder eine Dichtungsscheibe.
Die Ausführung der Einheit 11 ist derart, daß das Steuermittel S mit einem Gehäuse 130 mittig auf dem Pumpengehäuseabschnitt 31 sitzt. Abschnitte des Gehäuses 130 sind auch durch Flanschs 114, 116 und 118 verbunden.
Wie in den Fig. 1, 6 und 7 zu sehen ist, weist ein Auslaß- oder Ablaßabschnitt D, der sich von der Linie C-C zu der Linie E-E erstreckt, drei zylindrische Abschnitte 18, 19 und 20 auf und erfüllt zwei primäre Funktionen: Vergrößerung der Fluidgeschwindigkeit und ein Mittel zum schwenkenden Richten des austretenden Stroms zum Vorsehen eines Steuermittels. Der Ablaßabschnitt D enthält zusätzliche Winkel von vorzugsweise von etwa 45 bis 60 Grad oder wie erforderlich, um einen Ablaßpunkt 30 mit dem Bodenkörper 9 eines Schiffes 10 zum Ablassen des austretenden Stroms an oder unterhalb der Wasserlinie des Schiffes horizontal auszurichten.
Der sich in der Mitte aus der Linie C-C heraus erstreckende erste Abschnitt ist das winkelförmige zylindrische Gehäuse 18. Das Gehäuse 18 umfaßt einen schwenkbaren Teil 19, der horizontal um 360 Grad schwenkbar ist. Der schwenkbare zweite Abschnitt 19 und der winkelförmige Abschnitt 18 sind durch die Lageranordnung 120 verbunden. Die Lageranordnung 120 umfaßt einen an der Außenfläche des Gehäuses 18 befestigten inneren Laufring 122, einen an der Außenfläche des Abschnitts 19 befestigten äußeren Laufring 124 und einen Lagerring 121 dazwischen.
Ein Steuermittel 8 verbindet die Steuersäule 15 in einem Seeschiff mit dem drehbaren Abschnitt 19 der Düsenantriebseinheit der vorliegenden Erfindung. Dia Steuerverbindung umfaßt einen Steuerstab 132 mit einem Hülsenlager 134 und einem ersten und zweiten winkelförmigen Getriebe 136. Das zweite winkelförmige Getriebe 136, das auf einem Steuerstab 138 angebracht ist und sich winkelförmig in das Innere des Gehäuses 18 erstreckt, ist operativ mit dem Drehabschnitt 19 mittels Speichenschaufeln 137 verknüpft. Der Steuerstab 138 weist ein Hülsenlager 135 auf. Winkelspeichenschaufeln 137 sind so ausgeführt und installiert, daß sie keine Behinderung für die Strömung darstellen.
Der dritte Abschnitt des Ablasses D ist ein komplementäres winkelförmiges Gehäuse 20, das wie vorher erwähnt an Abschnitt 19 geklemmt ist und sich hinaus zu der Linie E-E erstreckt. Das Gehäuse 20 umfaßt eine Düse 21 und ist so ausgeführt, daß es auswechselbar ist, um eine leistungsgesteuerte Auswahl der Düse 21 zu ermöglichen. Alternativ kann die Düse 21 eine variable Auslaßöffnung zur Feinabstimmung von Strömungsgeschwindigkeiten und zum Maximieren von Ausgangsleistungen haben, indem zum Beispiel ein Mechanismus vom Iristyp (nicht gezeigt) eingebaut wird. Die Querschnittfläche am Düsenauslaß 30 in dem Ablaßabschnitt D ist vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,25 bis etwa 0,50 : 1; vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,30 bis etwa 0,40 : 1 und optimal etwa 0,35 : 1 proportional zu der Querschnittfläche des Flügelradeinlasses 24. Die Innenflächen der Ablaßdüse 21 sind glatt und laufen auf die Querschnittfläche des Auslasses 30 zusammen. Vor der Düse 21 hat das Ablaßrohr einen im wesentlichen konstanten Durchmesser, der in der Vorwärtsrichtung S-förmig ist. Darüber hinaus hat der Abschnitt mit konstantem Durchmesser eine größere Längenabmessung (gemessen entlang einer Mittellinie) als die Düse 21 und ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser, das größer als 1 ist.
Die Düse 21 enthält eine oder mehrere Begradigungsschaufeln 162, die vorzugsweise perpendikular an der Innenfläche von Abschnitt 20 befestigt sind. Die Begradigungsschaufeln 162 sind ausgeführt, um Verwirbelung zu dämpfen und einen Ablaß einer stetigen laminaren Wasserdurchsatzsäule aus der Einheit 11 zu ermöglichen. Darüber hinaus ist ein Ring 160 an der Außenkante der Düse 21 am Auslaß 30 befestigt. Der Ring 160 erhöht künstlich die Antriebsreaktion des abgelassen Wassers mittels um die Ringkante herum gebildeter Strudel, um einen glatteren Übergang des austretenden Wassers zu ermöglichen.
Der Ablaßabschnitt D kann weiter einen Trimmungseinstellmechanismus (nicht gezeigt) zum Ändern der Höhe des Ablaßauslasses 30 im Verhältnis zu der Wasseroberfläche enthalten, so daß die laufende Trimmung des Schiffs bei Notwendigkeit angepaßt werden kann. Der Trimmungseinstellmechanismus umfaßt vorzugsweise überlappende Hülsen, die in der Krümmungsfläche eines oder beider der winkelförmigen Gehäuseabschnitte 18, 20 angeordnet sind, und Mittel zum Positionieren und Verriegeln der Hülsen in einer festgelegten Position. Daher ist die vertikale Höhe des Auslasses 30 proportional zu dem Winkelbogen in den Abschnitten 18 oder 20, der durch Einstellen des Überlappungsgrad der Hülsen vergrößert oder verkleinert werden kann. Das Positionierungs- und Verriegelungsmittel kann ein hydraulischer Zylinder oder ein Getriebemechanismus sein. Der Trimmungseinstellmechanismus ist besonders nützlich, wenn die Einheit 11 nachträglich in ein existierendes Schiff eingebaut wird. Für ein neues Schiff, daß für die Annahme der Antriebseinheit 11 entsprechend ausgeführt ist, ist ein Trimmungseinstellvermögen allgemein nicht erforderlich.
Das Ablaßgehäuse 18 umfaßt weiter eine Luftöffnung 174, die sich ungefähr auf gleicher Höhe mit dem Ende der Diffusornabe 38 befindet, so daß in die Einheit 11 eingeführte eingefangene Luft entweichen kann und die Einheit 11 selbstansaugend sein kann.
Die Steuerfunktion des Ablaßabschnitts D ist durch die Führung von Düsenschub eingeschlossen, wie durch die Steuereinrichtung S gewährleistet wird. Richtstrecken sind mit dem Betrieb der Düse 21 in den Positionen F, R und radialen Positionen dazwischen verknüpft.
Wie früher erwähnt, werden bei der Antriebseinrichtung der vorliegenden Erfindung hervorragende Leistungsgrade erhalten, indem die hindurch fließende Wassermasse auf einer volumetrischen Basis, wie sie durch Fluidströmung durch eine gewöhnliche Düse oder düsenförmige Leitung gezeigt wird, im wesentlichen einheitlich zusammenlaufen gelassen wird. Das heißt, das pro Einheitslänge (oder alternativ axialer Querschnittströmungsfläche) erhältliche Strömungsvolumen verkleinert sich vorzugsweise im wesentlichen einheitlich vom Einlaß 22 zum Auslaß 30. Das Strömungsvolumen pro Einheitslänge des Tunnels ist als das Volumen des Tunnels minus des Volumens, das durch die Masse der internen Teile (z. B. Flügelrad, Diffusor, Begradigungsschaufeln, Welle, usw.) pro Einheitslänge verschoben wird. Auf diese Weise hat der Tunneldurchgang eine Strömungscharakteristik vom Düsentyp. In einer bevorzugten Ausführungsform verkleinert sich das Einheitsströmungsvolumen der Antriebseinrichtung 11 im wesentlichen einheitlich in der Art und Weise einer gewöhnlichen Düse oder düsenförmigen Leitung, die einen Konvergenz-(Verkleinerungs-)Winkel von etwa 2 bis etwa 15 Grad und vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 10 Grad aufweist. Mit düsenförmiger Leitung ist eine Leitung mit vollständiger Konvergenzströmung gemeint, die aus einem oder mehreren zylindrischen und/oder düsenförmigen Abschnitten aufgebaut ist, wobei der Konvergenzwinkel der einzelnen Düsenabschnitte unterschiedlich sein kann, wie zum Beispiel eine Düsenleitung, die aus einem ersten Abschnitt mit einem Konvergenzwinkel von 10º, einem zweiten Abschnitt mit einem Konvergenzwinkel von 5º, einem zylindrischen dritten Abschnitt und einem vierten Abschnitt mit einem Konvergenzwinkel von 10º aufgebaut ist. Die Düsenantriebseinheit für ein Schiff mit Schiffsschraabe in einem Tunnel der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt und zusammengebaut, der hinsichtlich seiner Stabilitätseigenschaften und Widerstandseigenschaften gegen Korrosion ausgewählt wurde, ein nicht-korrodierender Konstruktionskunststoff mit guter Kohäsionskraft wäre jedoch auch für einen oder mehrere Teile der Antriebseinheit geeignet.
Es wird erkannt werden, daß die Leistung der Düsenantriebseinheit 11 für ein Schiff mit Schiffsschraube in einem Tunnel von der synergistischen Wechselbeziehung der Funktion jedes einzelnen Abschnitts abhängt. Jeder einzelne Abschnitt muß proportional und symmetrisch hergestellt und zusammengebaut werden unter Berücksichtigung des erforderlichen Drucks und der Strömungsbalance, die benötigt wird, um eine wirksame Funktion der Düsenantriebseinheit zu ermöglichen.
Die Vorhersehbarkeit von Leistung hinsichtlich der Energieanforderungen der Düsenantriebseinheit ermöglicht es der Einheit, auf eine bestimmte Antriebsmaschine fein abgestimmt zu werden, wobei die Ausführungskriterien der mit Diffusorschaufeln und -düse verknüpften Flügelradflügel berücksichtigt werden.
Die vorhergehende Beschreibung der Erfindung soll dieselbe darstellen und beispielhaft erklären. Verschiedene Änderungen bezüglich des Materials, der Einrichtungen und bestimmter verwendeter Teile werden den Fachleuten einfallen. Es ist beabsichtigt, daß alle solche Variationen innerhalb des Umfangs der anliegenden Ansprüche eingeschlossen sein sollen.

Claims

1. Düsenantriebseinheit für ein Seeschiff, die aufweist:

einen zusammenlaufenden Ansaugabschnitt mit sich zusammenlaufend verjüngenden Wänden zum Aufnehmen von Wasser aus der Nähe der Einheit, wobei die genannten Wände zum Hemmen von Verwirbelung eine glatte Oberfläche haben;

einen Flügelradabschnitt zum Vergrößern der Energie von Wasser aus dem genannten Ansaugabschnitt;

einen Diffusorabschnitt zum Fördern der axialen Strömung von Wasser aus dem genannten Flügelradabschnitt;

einen schwenkbaren Ablaßabschnitt zum Ablassen von Wasser aus dem genannten Diffusorabschnitt in Form eines im wesentlichen pfropfenströmungsgerichteten Wasserstrahls;

ein in dem genannten Flügelradabschnitt angeordnetes zylindrisches Gehäuse mit einer inneren Oberfläche von allgemein einheitlichem Durchmesser;

eine konzentrisch in dem genannten zylindrischen Gehäuse angeordnete drehbare Nabe, die im axialen Querschnitt betrachtet eine äußere Oberfläche hat, welche einen konkaven Bereich und einen konvexen Bereich und einen Außendurchmesser aufweist, der sich von einem Minimum nahe dem genannten Ansaugabschnitt zu einem Maximum nahe dem genannten Diffusorabschnitt vergrößert;

eine Vielzahl von radial beabstandeten Flügelradflügeln, die an der genannten drehbaren Nabe befestigt sind und sich von der äußeren Oberfläche der genannten Nabe bis angrenzend an die innere Oberfläche des genannten zylindrischen Gehäuses erstrecken; wobei die genannten Flügel in einem Winkel bezüglich der Längsachse der genannten drehbaren Nabe geneigt sind;

eine in dem genannten Diffusorabschnitt angeordnete innere Oberfläche, die sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem genannten Flügelradabschnitt zu einem minimalen Durchmesser nahe dem genannten Ablaßabschnitt verjüngt;

eine feste Nabe, die konzentrisch in dem genannten Diffusorabschnitt angeordnet ist und eine konvexe äußere Oberfläche aufweist, welche sich von einem maximalen Durchmesser nähe dem genannten Flügelradabschnitt zu einem distalen Endpunkt nahe dem genannten Ablaßabschnitt verjüngt, wobei die genannte äußere Oberfläche der festen Nabe und die genannte innere Oberfläche einen Ring in dem genannten Diffusorabschnitt begrenzen, der eine allgemein zusammenlaufende Querschnittsfläche hat;

eine Vielzahl von radial beabstandeten Diffusorschaufeln, die sich von der genannten äußeren Oberfläche der festen Nabe zu der genannten inneren Oberfläche des Diffusorabschnitts erstrecken, wobei die genannten Diffusorschaufeln wenigstens einen distalen Bereich aufweisen, der parallel zu einer Längsachse der genannten festen Nabe nahe dem genannten Ablaßabschnitt ist;

ein zwischen der genannten drehbaren Nabe und der genannten festen Nabe angeordnetes Lager; und

Mittel zum Drehen der genannten drehbaren Nabe bezüglich der genannten festen Nabe.

2. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ansaugabschnitt eine Armlochleitung stromaufwärts des genannten Flügelrads und ein entfernbares Pfropfenstück mit einem Außenflansch und einem Innenkern einschließt, wobei das genannte Kernende eine Umrißfläche hat, die einer Wand des genannten Ansaugabschnitts entspricht, um eine allgemein glatte, kontinuierliche Oberfläche für Fluidströmung durch denselben darzustellen.

3. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ansaugabschnitt weiter eine oder mehrere Begradigungsschaufeln aufweist, die sicher entlang einer inneren Umrißfläche befestigt sind.

4. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der eine querlaufende Einlaßquerschnittsfläche des genannten Ansaugabschnitts in einem Verhältnis von etwa 1,5 bis etwa 2,5 : 1 proportional zu einer Einlaßquerschnittsfläche des genannten Flügelradabschnitts ist.

5. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der eine Auslaßquerschnittsfläche des genannten Diffusorabschnitts in einem Verhältnis von etwa 0,50 bis etwa 0,75 : 1 proportional zu einem Einlaßquerschnittsflächenverhältnis des genannten Flügelradabschnitts ist.

6. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der ein Umgehungsventil stromaufwärts der genannten Flügelradflügel zum Hemmen von Zusammenballung angeordnet ist.

7. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ablaßabschnitt eine entfernbare Düse aufweist, die durch ein Schnellverbindungselement an einem Gehäuse befestigt ist.

8. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ablaßabschnitt eine einstellbare Düse mit einer variablen Auslaßöffnung aufweist.

9. Antriebseinheit von Anspruch 8, in der die genannt Düse durch einen Steuermechanismus um 360º schwenkbar ist.

10. Antriebseinheit von Anspruch 9, in der Speichenschaufeln den genannten Steuermechanismus an der Düse befestigen.

11. Antriebseinheit von Anspruch 7, in der ein Ablaßende der genannten Düse einen festen Ring aufweist, der an demselben befestigt ist.

12. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ablaßabschnitt weiter eine oder mehrere Begradigungsschaufeln aufweist.

13. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ablaßabschnitt weiter einen Trimmungseinstellmechanismus aufweist.

14. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der eine Auslaßquerschnittsfläche des genannten Ablaßabschnitts in einem Verhältnis von etwa 0,25 bis etwa 0,50 : 1 proportional zu einer Einlaßquerschnittsfläche des genannten Flügelradabschnitts ist.

15. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der das genannte zylindrische Gehäuse auswechselbar ist und der genannte Flügelradabschnitt weiter eine Verschleißhülse aufweist, die zwischen dem genannten Innendurchmesser des genannten zylindrischen Gehäuses und den genannten Flügelradflügeln angeordnet ist.

16. Antriebseinheit von Anspruch 1, die weiter eine gleichmäßig abnehmende Querschnittsfläche der axialen Fluidströmung von dem genannten Ansaugabschnitt zu dem genannten Ablaßabschnitt aufweist.

17. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ablaßabschnitt einen Auslaß aufweist, der mit einem Schiffskörper ausgerichtet ist und der genannte Wasserstrahl auf oder unterhalb der Wasserlinie des Schiffes abgelassen wird.

18. Antriebseinheit von Anspruch 1, in der der genannte Ablaßabschnitt einen Abschnitt mit im wesentlichen konstantem Durchmesser und einen Düsenabschnitt aufweist, wobei der Abschnitt mit konstantem Durchmesser eine größere Länge als der genannte Düsenabschnitt hat.

19. Antriebseinheit von Anspruch 18, in der der genannte Abschnitt mit konstantem Durchmesser in Vorwärtsrichtung S-förmig ist.

20. Antriebseinheit von Anspruch 18, in der der genannte konstante Durchmesser ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser hat, das größer als 1 ist.