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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches System mit Kapazität für
den Ausstoss einer Wassermasse mit hydraulischer Hochleistung zur Geschwindigkeit,
die für den anzutreibenden Schiffstyp als ideal eingeschätzt wird.
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Der Antrieb arbeitet nach dem Prinzip des dritten Newtonschen Gesetz: die Schubkraft
dieser Wassermasse verursacht bei einer gegebenen Geschwindigkeit einen gleichen
entgegengesetzten Rückschub, der das Schiff antreibt, wobei die Wassermasse durch
eine Öffnung am Steven ausgestossen wird.
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Natürlich muss dieses hydraulische Antriebssystem eine höhere Gesamtleistung als die
besten, heute im Einsatz befindlichen herkömmlichen Schiffsschrauben aufweisen,
damit es wirtschaftlich tragbar ist. Dies trifft insbesondere auf die Handelsflotte zu;
dort kann sein Einbau und Einsatz durch den günstigeren Anschaffungspreis und
geringeren Brennstoffverbrauch gerechtfertigt werden. Somit wird der Transport zur
See wirtschaftlicher und ökologischer. Weiter sind an der Austrittsöffnung eine Anzahl
vertikale Platten mit unterschiedlicher Ausrichtung für die Steuerung des
Wasserflusses als Ruder angebracht.
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Ausserdem ist dieses System dank seiner Montage im Schiffskörper sehr viel sicherer
als herkömmliche Schrauben beim Manövrieren oder Anlegen im Hafen.
Fischereiboote würden ebenfalls sicherer, weil das Risiko eines Verheddern des Netzes
im Ruder ausgeschlossen wird.
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Auch Kriegsschiffe könnten von der grösseren Sicherheit profitieren, weil die
Schiffsschraube als potentieller Schwachpunkt entfällt.
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Dieses neue Antriebssystem mit Montage im Schiffskörper, entweder zentriert oder am
Steven, d. h. im Maschinenraum, wird von einem Motor (Diesel, Elektro oder Dampf)
angetrieben und dreht mit sehr viel höherer Drehzahl als die konventionellen
Schrauben, die heute in der Handelsflotte im Einsatz sind. Somit würde die Grösse, das
Gewicht und die Kosten der erforderlichen Motoren für den Antrieb der Turbinen
drastisch reduziert.
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Ein weiterer Vorteil des neuen Antriebssystems: es entsteht kein seitlicher Verlust der
Wassermassen an der Peripherie der Schiffsschraube im Einsatz; der Widerstand der
inaktiven Blattseite einer herkömmlichen Schiffsschraube beim Vortrieb eliminiert den
Saugkoeffizienten und verringert die Leistung auf einer Wirkungskraft von nur 54%.
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Ein weiterer Vorteil des neuen Antriebssystem: der Wegfall, der
Schraubentransmissionswelle und alle seine Auflager, die mindestens 8% der Leistung
aufnehmen; weiter fällt auch die Austrittsöffnung der Schraubenwelle, die riesige
vertikale Kräfte aufnimmt, weg. Bei hohem Seegang werden die Wellenschläge, die auf
diesen Teil des Schiffskörpers einwirken, auf die Schraube, die Leistung, Lager,
Transmissionswelle und alle Auflager übertragen und absorbieren mindestens weitere
4% der Leistung. Somit kann das Zapfenlager, das diese Kräfte aufnimmt, ebenfalls
wegfallen.
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Kosten, Gewicht und Volumen der vorstehend erwähnten Bestandteile fallen alle weg;
dadurch kann in diesem Prozess viel Geld gespart werden; der Einbau des neuen
Antriebssystems wäre somit deutlich billiger und wirtschaftlich attraktiver. Weil diese
neue Hydroturbine für den Wasserausstoss eine höhere mechanische und hydraulische
Leistung als die herkömmlichen Schrauben aufweist, wäre die Gesamtleistung nach
Einbau dieser neuen Turbine sehr viel höher als jene der herkömmlichen Schraube bei
gleichzeitiger grösserer Sicherheit beim Manövrieren.
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Andererseits ist der Wirkungsgrad des neuen Antriebssystem bei halber Schiffslast
oder ohne Last noch höher im Vergleich zur herkömmlichen Schraube, weil dort ein
Teil der Schraubenblätter aus dem Wasser ragt.
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Das neue Antriebssystem mit einer volumetrischen Leistung von 80% ist jeder anderen
Einrichtung, wie Kreiselpumpen mit Einbau im Schiffskörper und Antrieb durch
Dampf- oder Dieselmotoren weit überlegen; letztere verzeichnen eine volumetrische
Leistung von rund 35%; obwohl auch sie ohne Transmissionswellen, Auflager, usw.
auskommen liegt ihre Leistung unter jeder einer herkömmlichen Schraube.
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Es gibt auch andere registrierte Lösungen; wie Patent Nr. 538992 vom 21.12.1984 mit
dem Namen: Antriebssystem für die Schifffahrt.
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Dieses System besteht im Einbau einer Kreiselpumpe im Zentrum des Schiffskörper
mit Verbindung zum Bug über eine gerade Rohrleitung für den Wasserausstoss. Auf
der Stevenaussenseite ummantelt eine weitere zylindrische Leitung die vorhandene
Rohrleitung; zwischen den beiden besteht ein Innenhohlraum für die Leitung des
Wassers, das durch den Venturi-Effekt des austretenden Wassers aufgenommen wird.
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Bei dieser Lösung sind folgenden Umstände zu berücksichtigen:
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Erstens bringt eine Kreiselpumpe eine Gesamtleistung von 35% und liegt damit
deutlich unter der Leistung einer herkömmlichen Schraube von 54%.
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Zweitens sind die Rohrleitungen für die Wasseraufnahme bzw. den Wasserausstoss
sehr lang und würden beträchtliche Energieverluste mit sich bringen. Damit würde der
Wirkungsgrad des gesamten Systems noch weiter herabgesetzt. Ausserdem regt der
Bug bei hohem Seegang ständig aus dem Wasser. Als Folge kann das Wasser die
Kreiselpumpe nicht richtig erreichen; es entsteht eine weitere Leistungseinbusse.
Drittens verursacht der Venturieffekt im Bug eine Bewegung von weiteren
Wassermassen gegen die Fahrrichtung; dadurch wird die Vorwärtsbewegung zwar
teilweise unterstützt; andererseits verursacht die zylindrische Mantelhülle um die
Austrittsmündung einen passiven Widerstand durch dessen Vorwärtsbewegung mit
dem Schiff und diese hebt den Venturieffekt fast vollständig auf; somit bleibt die
Leistung unter jener einer herkömmlichen Schraube.
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Die Wasserleitung verläuft über die gesamte Länge des Schiffes und nimmt bei
einhergehender Verringerung der Ladekapazität ziemlich viel Platz in Anspruch.
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Eine weitere Lösung wurde unter Patent Nr. P8902357 vom 4.7.1989 mit dem
folgenden Titel registriert Antriebssystem für Boote. Das System besteht aus dem
Einbau von vier "Laufrädern" mit geraden oder gebogenen Schaufeln seitlicher
Anbringung am Bug und Steven mit jeweils einem Aussenblatt für die Führung der
bewegten Wassermassen. Dieses System hat den Nachteil, dass beim Drehen jedes
dieser Laufräder ein Schieber für die Trennung von ein- und ausströmendem Wasser
fehlt. Somit entsteht ein "geschlossener Wasserkreis" um jedes Rad mit einhergehender
Verringerung von volumetrischer Leistung und Wirkungsgrad. Ausserdem hemmen
Aussenblätter und Schaufelrückseiten die Vorwärtsbewegung des Schiffes; somit ist
die Gesamtleistung dieses Systems geringer als jene der herkömmlichen Schraube.
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Weiter wäre die Konstruktion von zwei Maschinenräumen für den Betrieb jedes
Laufradpaares erforderlich und wenn jedes Rad mit seinen Schaufeln von einem
Elektromotor betrieben würde, wie aus Abb. 1 hervorzugehen scheint, fiele die
Gesamtübertragung mit vier Elektromotoren bekanntlich geringer aus als jene eines
gleichwertigen Einzelmotoren für den Antrieb eines Einzelantriebsaggregats; eine
Hochrechnung der Nachteile dieses Antriebssystems ergibt somit eine Leistung weit
unter jener herkömmlicher Schrauben.
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Ein weiterer gewichtiger Nachteil: zwei Laufräder sind backbord und zwei
steuerbordseitig angebracht, was zu gefährlichen Hafenmanövern mit Risiko der
Beschädigung der Schaufelräder am Pier oder Gefährdung von Menschen bei kleinen
Booten in unmittelbarer Nähe des Schiffskörpers führt.
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Eine weitere registrierte Lösung wird in Patent Nr. P550948 vom 18.01.1986
beschrieben und trägt den Titel: Schaufelrad für den Antrieb von Schiffen mittlerer
und grosser Tonnage. Nach diesem Patent befindet sich das Schaufelrad im Kiel am
Steven des Schiffkörpers; die Rotorblätter würden rund 50 cm unter der Kielbasis
auskragen. Mit dieser Positionierung des Schaufelrads ohne jeden Schieber oder
Schranke zwischen Wasserzuführung und Austritt verzeichnen die Schaufelblätter
eine Steigung von einer Position unter dem Kiel durch einen Hohlraum im
Schiffskörper mit einhergehendem Vakuum; dieses hebt das Wasser und erzeugt einen
geschlossenen Wasserkreislauf im Hohlraum des Schiffskörpers. Der resultierende
Wasserausstoss für den Schiffsantrieb ist somit sehr gering; der grössere Anteil
verfügbarer Energie wird für die Wasserbewegung in einem geschlossenen Kreislauf
eingesetzt. Letzterer leistet keinen Beitrag an die Schiffsbewegung und die
Gesamtleistung ist somit ebenfalls geringer als jene einer herkömmlichen Schraube.
Drehen die Schaufeln bei hoher Geschwindigkeit entsteht ein Vakuum mit noch
schlechterem Ergebnis.
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Eine weitere Lösung wird im Gebrauchsmustermodell Nr. U120747 vom 31.03.1966 mit
folgendem Titel beschrieben: Schaufelantrieb für die Schifffahrt. Das System besteht
aus einer Anzahl Schaufeln, die in zwei Richtungen drehen: eine Schaufel dreht im 90º-
Winkel zur Gegenschaufel nach Überschreiten der aktiven Position und dreht ebenfalls
auf einer Achse. Diese Drehbewegungen verursachen zahlreiche Turbulenzen in den
Wassermassen mit einhergehender Schwingungsübertragung auf die Schaufelwellen
und von dort weiter auf den Schiffskörper mit allen damit verbundenen Nachteilen.
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Weil die aktive Bewegung jedes Schaufelblatts nur rund 90º des Weges auslotet, ist
jedes Schaufelblatt in rund 270º jeder Umdrehung nicht nur inaktiv, sondern
hemmend; diese Blätter arbeiten somit schlechter und mit geringerem Wirkungsgrad
als jene einer herkömmlichen Schraube.
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Eine weitere Lösung wird in Patent US-A-3183878 vom 27.02.1963 mit folgendem Titel
beschrieben: Wasserstrahlantriebsaggregat für Wasserfahrzeuge.
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Dieses Antriebsaggregat ist mit einer Zentrifugalschleber Beschickungseinheit
ausgerüstet; diese zieht das Wasser ein und fördert es nach starker Beschleunigung zur
Düse; dabei stellt der Wasserfluss eine sanfte Kurve ohne Krümmungen oder schnelle
Drehungen in seinem Verlauf dar.
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Das Wasser wird durch eine Wassereinlassöffnung am Boden des Bootes eingezogen,
von der Pumpe durch die Leitung befördert und als Strahl am Bootsheck über dem
Wasserspiegel ausgebracht.
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Der Zentrifugalschieberrotor ist extentrisch in der zylinderförmigen Gehäusekammer
eingebracht. Der Rotor besitzt eine Reihe radial gleitbarer Schieber, die mit der
Innenfläche des Gehäuses eine Zentrifugalschieberpumpe bilden; diese zieht Wasser
durch die Einlassöffnung auf und schiebt es in einem sanft verlaufenden Fliessweg
durch die Düse. Pumpen dieser Art haben Probleme mit Reibung und Verschleiss in
den sehr teuren Gleitschiebern.
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Zum besseren Verständnis der Eigenschaften der vorliegenden Erfindung folgt eine
ausführliche Beschreibung aller ihrer Bestandteile, die auch in den beigefügten Plänen
dargestellt werden; sie dient der Anleitung für die Auslegung, ohne diese in
irgendeiner Art einzuschränken.
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Abb. 1 zeigt einen Aufriss des neuen Schiffsantriebssystems mit Einbau im Steven,
Veranschaulichung der Wasseraufnahme durch den Doppelboden oder seitlich am
Schiffskörper, je nach Einsatzerfordernis; der Ausstoss erfolgt über eine Leitung zum
Steven. Auch die Wasserfilter sind erkenntlich und werden so gefertigt, dass sie für
Manöver im Fluss oder Hafen in die Arbeitsposition abgesenkt werden können.
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Abb. 2 zeigt einen Querschnitt; auf dieser Zeichnung ist die Wirkungsweise der
unterschiedlichen Ausrichtungsplatten mit Ruderfunktion besser zu erkennen.
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Die Nummern der vorstehend erwähnten Zeichnungen entsprechen folgenden
Bestandteilen:
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1. - Antriebsrotor
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2. - Rotorblätter für Wasseransaugung und Ausstoss
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3. - Drehschieber (Verschluss) für Abtrennung von Ansaug- und Ausstosszone
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4. - Drehkammer mit rechteckigem oder anderem Riss
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5. - Aussengehäuse in dem Antriebsrotor (1) und Drehschieber (3) drehen
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6. - Doppelfilter für Wasseraufnahme beim Vorwärtsfahren
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7. - Doppelfilter für Wasseraufnahme beim Rückwärtsfahren
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8. - Aufnahmeöffnung und Leitung beim Vorwärtsfahren
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9. - eventuelle seitliche Aufnahmeöffnungen sowie Leitungen für das Vorwärtsfahren
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10. - Austrittsöffnung für den Wasserausstoss beim Vorwärtsfahren
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11. - verstellbare, vertikale Platten im ausgestossenen Wasserstrom als Innenbordruder
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12. - Aussengetriebe für Drehschieberwelle
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13. - Aussengetriebe für Ankerwelle mit Synchronisierung mit Drehschieber
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14. - elastisches Futter auf Drehschieberoberfläche für Aufnahme von Schwebeteilchen
im Wasser
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15. - Motor für Antrieb der Ruderplatten
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16. - hydraulische Klemmringe seitlich vom Rotor für eine gute hydraulische
Abdichtung
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17. - Motor für Antriebssystem
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18. - Untersetzungsgetriebe mit Anschluss an Transmissioneswelle (20)
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19. - verstellbare, vertikale Platten für Seitenbewegungen und Rückwärtsfahren beim
Manöverieren des Schiffes im Hafen
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20. - Antrieb Transmissionswelle
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Wie aus dem vorstehend erwähnten Abbildungen zu entnehmen ist, wird der
Antriebsrotor (1), mit zwei Blättern (2) oder erforderlichenfalls mehr ausgerüstet;
letztere sind rechteckigen oder anderen Querschnitts; der Antrieb erfolgt durch einen
Motor, der ihn, in Funktion des erforderlichen Einsatzes, auf eine vorgegebene
Drehzahl bringt. Während ihrer Vorwärtsbewegung erzeugen diese Blätter (2) auf
ihrer Rückseite ein Vakuum; auf diese Weise wird Wasser, je nach Einsatz, durch eine
Einlassleitung (8) am Doppelbaden des Schiffs oder durch zwei Seitenöffnungen (9)
aufgesogen.
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Die andere Blattseite (2) schiebt das vom vorangehenden Blatt vorher aufgesaugte
Wasser in die Drehkammer (4) und beschleunigt es zur Austrittsöffnung (19); sie wirkt
dabei als Endloskolben mit einem kurvenförmigen Verlauf, damit der entstehende
Wasserstrahl aus dem Steven austritt und eine Schubkraft erzeugt, die das Schiff
vorwärts schiebt.
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Der Drehschieber (3) trennt Ansaug- (Einlass) und Ausstosszone (Ausgang) und
vermeidet einen geschlossenen Wasserkreis um den Rotor (1) mit einhergehender
Verringerung von volumetrischer Leistung und Wirkungsgrad; dieser Drehschieber (3)
dreht im Gegensinn zum Hauptrotor (1); im Fall von Abbildung (1) mit zwei Blättern macht
der Drehschieber zwei Umdrehungen für jede Rotorumdrehung, wobei zwei Getriebe
(12) und (13) diese Bewegung der Ankerwelle (1) synchronisieren.
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In Fällen, in denen mehr Blätter eine Verbesserung der volumetrischen
Turbinenleistung brächten, würde der Drehschieber schneller drehen.
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Je nach Einsatz besteht die Möglichkeit des Einbaus eines weiteren Drehschiebers in
der Maschine (auf der Abbildung nicht angezeigt) in Nähe des Wassereinlasses; somit würde
die volumetrische Leistung weiter gesteigert; allerdings bei gleichzeitigem Anstieg der
Fertigungskosten, wobei dieser Ansteig in bestimmen Fällen gerechtfertigt sein kann.
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Der Rost oder, je nach Situation, andere Wasserfilter (6 und 7) filtert alle Gegensände
im aufgenommenen Wasser bei Manövern im Hafen aus, um Beschädigungen der
Rotorkammeroberflächen (4), des Rotors (1) oder des Drehschiebers (3) zu vermeiden.
Diese Filter sind doppelt eingebracht damit jeweils einer jedes Paars in hochgezogener
Position im Schiffsinnern gereinigt werden kann; allerdings können auch jene in
Arbeitsposition durch Rückwährtsdrehung des Rotars während einer kurzen Zeit
leicht gereinigt werden; auf offener See können die Filter in hochgezogener Position
bleiben; ihr Einsatz ist vor allem im Hafen oder in verschmutzten Fahrrinnen von
Bedeutung.
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Weiter ist der Drehschieber über seine gesamte Länge mit einem kreisförmigen Mantel
aus elastischem Material (14) ausgerüstet, um Schwebeteilchen im Wasser
abzusondern; seine Reinigung oder der Ersatz sind problemlos und Beschädigungen
der Rotoraussenfläche werden auf diese Weise vermieden.
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Die vertikalen Platten (11) an der Ausgangsöffnung des Stevens lenken den aus dem
Schiffskörper austretenden Wasserstrom und steueren das Schiff als Ruder. Die
Ausrichtung der Platten wird von der Brücke aus koordiniert und gesteuert. Der
Einsatz dieser Innenbordruder macht herkömmliche Ruder hinter der Schraube
überflüssig.
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Ein herkömmliches Ruder verursacht Turbulenzen im austretenden Wasser und wird
auch seitlichen Kräften durch Querströmungen des Meeres auf seine Oberfläche
ausgesetzt, was die Steuerung erschwert. Der Wegfall des herkömmlichen Ruders
würde somit die Steuerung ebenfalls erleichtern.
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Für ein leichtes Manövrieren im Hafen und Manöver vom oder zum Anlegeplatz
könnten seitliche Wasseraustrittsöffnungen in die Konstruktion der Kiellinie
aufgenommen werden. Somit stünde ein seitlicher Wasserstrahl für eine
Seitenbewegung des Schiffs in die Gegenrichtung zur Verfügung. Diese Rohrleitungen
können nach Abschluss des Manövers geschlossen werden. Im Interesse einer sicheren
Seefahrt und falls ein Schiff auf Grund oder Unterwasserhindernisse, wie eine
Sandbank läuft, bestehen mit dem neuen Antriebssystem ungleich bessere Aussichten
auf ein Herausmanöverieren. Das System funktioniert ähnlich wie ein bereits
bekanntes mit Einsatz in Landungsbooten mit Wasserstrahlantrieb, allerdings unter
Einsatz einer grösseren Schubkraft mit aktiver Räumung sperrender Materialien durch
den Wasserstrahl.