GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese vorliegende Erfindung betrifft marine Zweiphasen-Antriebssysteme im
Allgemeinen und genauer Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerke.
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Verschiedene Versuche sind unternommen worden, um Wasser-atmende Derivate
der Gas-atmenden Strahltriebwerken zum signifikanten Erweitern der
Leistungsenfaltung von marinen Hochgeschwindigkeitsschiffen zu entwickeln.
Grundsätzlich arbeiten Wasser-atmende Staustrahl-Triebwerke auf dem Prinzip eines
Antreibens und Beschleunigens von Wasser mit Druckgas oder den
Verbrennungsprodukten des Gasgenerators, wie im US-Patent 3,171,379 mit dem Titel "The
Hydro-Pneumatic Ram-Jet" von Schell et al. beschrieben und gewöhnlich bekannt
als "Marjet". Gemäß dem ersten Newton'schen Gesetz wendet das
Antriebssystem Schub auf durch Anwenden einer gleichen und entgegengesetzten Kraft auf
ein angrenzendes Medium. Im Fall eines Fluid-Mediums ist gemäß dem zweiten
Newton'schen Gesetz die Kraft gleich der Rate an Änderungen des Fluid-
Impulses. Der Teil an Fluid, welcher der Impulsänderung unterliegt, wird
"Arbeits-Fluid" genannt. Bei einer Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-
Triebwerkszelle ist das Arbeits-Fluid eine Zweiphasenmischung von Wasser und
Gas, vorzugsweise Luft. Die Blasenströmung wird durch eine hohe Dichte mit
Kompressibilität durch die flüssige Phase bzw. Gasphase typisiert.
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Obwohl der Marjet das höchst entwickelte System von dieser Artist, welches im
Stand der Technik beschrieben wird, leidet es nichtsdestotrotz an verschiedenen
deutlichen Nachteilen, welche auf seinen Mangel an Kommerzialisierung
zurückgeführt werden können. Die Nachteile des Marjets enthalten: Erstens, eine
schlechte Mischungs-Effizienz, was zu einer niedrigen Gesamt-Antriebseffizienz
führt. Zweitens, eine Gaseinführung durch eine homoge poröse Umhüllung, was
Blasen mit einer sehr engen Größenverteilung bildet, wodurch der maximale
volumetische Anteil von Gas in dem Zweiphasen-Arbeits-Fluid begrenzt wird, und
so deutlich die Beweglichkeit des Wasserfahrzeugs begrenzt wird. Drittens, die
Unfähigkeit, die Wärmeenergie des Gases in Schub-Leistung umzuwandeln.
Viertens, eine schlechte Beschleunigungsfähigkeit nahe einer Stagnation und eine
geringe Geschwindigkeit und begrenztes Beschleunigungspotential, was zu einer
Unfähigkeit führt, über die Widerstandsschwelle von Tragflügelbooten oder
Luftkissenbooten zu beschleunigen. Noch weitere Nachteile schließen ein, dass das
Schubniveau mit der Fahrtgeschwindigkeit gekoppelt ist, die Antriebseinheit nicht
eine Schubumkehr oder integrale Lenkfähigkeit darstellt, und dass der Antrieb
und andere hydrodynamische Funktionen wie beispielsweise: Seehaltung, aktive
Stabilisierung, Lift, Steuerung und Schub-Umkehr jeweils durch dafür bestimmte
Systeme ausgeführt werden.
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Andere Entwicklungen enthalten den Hydro-Pulse-Jet, wie beschrieben in Los
Alamos National Laboratory. Report LA-10358-MS, Mai 1985, in welchem die
Pulsstrahl-Triebwerks-Vorrichtung für den Antrieb von Torpedo-Geschossen in
Betracht gezogen wurde. Der einzige Vorteil dieser Entwicklung ist die
Hochgeschwindigkeits-Fähigkeit, während ihre Nachteile enthalten, dass sie komplex,
unsicher, Wasser verschmutzend, sehr schwer, uneffizient, teuer, etc. ist.
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Eine weitere Entwicklung enthält den Gas-verstärkten Wasserstrahl, wie im
Bericht N 00014-75-C-0936 für das Office of Naval Research, Auburn University
Ala., Mech. Eng. Department, November 1976 beschrieben ist, in welchem eine
Wasserpumpe mit einer zusätzlichen Gasverstärker-Einheit in der Abgasleitung
der Pumpe vorgesehen ist. Der Gasverstärker ist nicht fähig, zu arbeiten, ohne
dass sich die Wasserdüsen-Pumpe vor ihm befindet, und daher weist diese
Anordnung all die Nachteile eines Flügelrad-basierten Wasserstrahls auf, plus der
zusätzlichen Komplexität des Gasverstärkers, im Austausch für Zusatzleistung bei
einer Hochgeschwindigkeits-Reisegeschwindigkeit.
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Noch eine weitere Entwicklung enthält den "Wasser-verstärkten Gasstrahl", wie
im US-Patent Nr. 3,808,804 von Scott-Scott beschrieben, in welchem eine
Antriebseinheit einen Gas-atmenden Turbofan-Motor enthält, welcher eine
Feuchtigkeitsverstärker-Einheit in der Abgasleitung inkorporiert, welche durch Einspritzer,
Leitungen und Wasserpumpen beliefert wird. Diese Anordnung scheint für
Hochgeschwindigkeits-Anwendungen vielversprechend, weist aber gravierende
Sicherheits- und Effizienz-Beschränkungen auf, wenn in einem Hafen nahe anderer
Wasserfahrzeuge und bei niedriger Geschwindigkeit manövriert wird.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Unterwasser-Zweiphasen-
Staustrahl-Triebwerk vorzusehen, welches frei von den oben genannten
Nachteilen ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anzahl von Ausführungsformen
von Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkzellen vorzusehen, welche entweder eine
feste Geometrie oder variable Geometrie-Konfigurationen aufweist/aufweisen.
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Daher wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine
Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle vorgesehen, aufweisend: (a) einen
Einlauf zum Aufnehmen eines Wasserflusses; (b) eine Druckgas-Injektions-
Einrichtung zum Injizieren von Druckgas in den Wasserfluss; (c) eine
Mischkammer zum Mischen des Druckgases mit dem Wasserfluss, um einen
Zweiphasenfluss des Treibmittels vorzusehen; (d) eine Düse zum Beschleunigen des
Zweiphasenflusses des Treibmittels, um so einen Zweiphasenstrahl zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet; dass die Druckgas-Injektions-Einrichtung einen
Überschall-Injektor enthält.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Querschnittsbereich
der Mischkammer größer als der Querschnittsbereich des Ausgangs des Einlaufs.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung enthält die
Druckgas-Injektions-Einrichtung zumindest eines der Gruppe bestehend aus einem
Ringbrausenkopf; einer perforierten Umfangsumhüllung; einem Zentralkörper-
Brausenkopf; zumindest einem radialen Stützarm; zumindest einer Reihe von
Düsen; zumindest einer perforierten Platte; einem Unterschall-Gas-Injektor,
zumindest einem Drallblech, einer Mehrzahl von Perforationen von verschieden
bemessenen Öffnungen; und einer Mehrzahl von Perforationen oder von verschieden
geformten Öffnungen.
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Auch injiziert die Druckgas-Injektions-Einrichtung Anteile des Gasflusses mit
verschiedenen Injektionsraten.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung enthält die
Triebwerkszelle einen Druck-Transducer zum Messen von zumindest einem der
Gruppe bestehend aus: dem Umgebungsdruck, dem Druck von Wasser im Einlauf; dem
statischen Druck des Druckgases vor Injektion in der Druckgas-Injektions-
Einrichtung; dem Gesamtdruck des Druckgases vor Injektion in der Druckgas-
Injektions-Einrichtung; dem Druck des Zweiphasenflusses in der Mischkammer,
dem Druck des zweiphasigen Strahls am Durchlass der Düse; und dem Druck des
zweiphasigen Strahls am Ausgang der Düse.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung enthält die
Triebwerkszelle einen Temperatursensor zum Messen von zumindest einem der Gruppe
bestehend aus: der Umgebungstemperatur des Wassers; der Temperatur des
Druckgases vor Injektion; und der Temperatur des Druckgases nach Injektion.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung enthält die
Triebwerkszelle eine Steuereinrichtung zum Steuern von zumindest einem der Gruppe
bestehend aus: dem Druck des Druckgases; der Massen-Fließrate des Druckgases;
einer Verteilung des Druckgases zwischen der Druckgas-Injektions-Einrichtung;
der Temperatur des Druckgases; dem Querschnittsbereich des Einlaufs; der Rate
der Veränderung des Querschnittsbereichs des Einlaufs; dem Querschnittsbereich
des Durchlasses der Düse; dem Querschnittsbereich des Ausgangsbereichs der
Düse; der Richtung der Düse; und dem Betrieb einer Strahlablenk-Einrichtung.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung weist der Einlauf
einer selektiv variable innere Geometrie auf. Der Einlauf enthält eine Einlauf-
Schutzkappe, welcher einen selektiv variablen Querschnittsbereich aufweist,
wobei der Einlauf eine Vielzahl von überlappenden konischen Segmenten aufweist,
um so zu ermöglichen, dass der Querschnittsbereich der Einlauf-Schutzkappe
selektiv variiert werden kann. Alternativ enthält die Triebwerkszelle eine Maus,
welche entlang der Achse der Antriebszelle verschiebbar ist, um zu ermöglichen,
dass der Querschnittsbereich der Einlauf-Schutzkappe selektiv variiert werden
kann. Oder die Triebwerkszelle kann alternativ zumindest eine Verstell-
Einlaufwand enthalten, um so zu ermöglichen, dass der Querschnittsbereich der
Einlauf-Schutzkappe selektiv variiert werden kann. Der Querschnittsbereich der
Einlauf-Schutzkappe kann selektiv zwischen ungefähr einem Zehntel des
Querschnittsbereichs der Mischkammer und ungefähr der Hälfte des
Querschnittsbereiches der Mischkammer variiert werden.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung enthält der Einlauf
einen Diffuser, welcher eine selektiv variable Rate an Veränderung des
Querschnittsbereichs entlang der longitudinalen Achse der Triebwerkszelle aufweist,
wobei der Diffuser eine Vielzahl von überlappenden konischen Segmenten
aufweist, um so zu ermöglichen, dass die Änderungsrate des Querschnittsbereichs
des Diffusers selektiv variiert werden kann. Alternativ enthält die Triebwerkszelle
eine Maus, welche entlang der Achse der Triebwerkszelle verschiebbar ist, um so
zu ermöglichen, dass die Änderungsrate des Querschnittsbereichs des Diffusers
selektiv variiert werden kann. Oder die Triebwerkszelle enthält alternativ zumindest
eine verschiebbare Einlaufwand, um so zu ermöglichen, dass die
Änderungsrate des Querschnittsbereichs des Diffusers selektiv variiert werden kann. Der
Divergenzwinkel des Diffusers kann selektiv zwischen ungefähr -10º und
ungefähr 10º variiert werden.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung weist die Düse eine
selektiv variable Geometrie auf, wobei die Düse einen Durchlass enthält, welcher
einen selektiv variablen Querschnittsbereich aufweist, und einen Ausgang,
welcher einen selektiv variablen Querschnittsbereich aufweist. Die Düse enthält eine
Vielzahl von überlappenden konischen Segmenten, um so den selektiv variablen
Querschnittsbereich zu ermöglichen. Alternativ enthält die Düse zumindest eine
verschiebbare Durchlasswand und zumindest eine verschiebbare Ausgangswand.
Der Querschnittsbereich des Durchlasses der Düse kann selektiv zwischen
ungefähr einem Drittel des Querschnittsbereichs der Mischkammer und ungefähr im
Wesentlichen dem gleichen wie dem Querschnittsbereich der Mischkammer
variiert werden. Der Querschnittsbereich des Ausgangs kann selektiv zwischen
ungefähr einem Viertel des Querschnittsbereichs der Mischkammer und ungefähr ein
wenig mehr als dem Querschnittsbereich der Mischkammer variiert werden.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung enthält die
Triebwerkszelle eine Strahlablenk-Einrichtung zum Ablenken des Zweiphasenstrahls.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Unterwasser-
Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle vorgesehen, umfassend: (a) einen Einlauf
zum Aufnehmen eines Wasserflusses; (b) eine Druckgas-Injektions-Einrichtung
zum Injizieren von Druckgas in den Wasserfluss; (c) eine Mischkammer zum
Mischen des Druckgases mit dem Wasserfluss, um einen Zweiphasenfluss des
Treibmittels vorzusehen; und (d) eine Düse zum Beschleunigen des
Zweiphasenflusses des Treibmittels, um so einen Zweiphasenstrahl zu erzeugen, dadurch
gekennzeichnet, dass der Einlauf eine variable innere Geometrie aufweist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Unterwasser-
Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle vorgesehen, umfassend: (a) einen Einlauf
zum Aufnehmen eines Wasserflusses; (b) eine Druckgas-Injektions-Einrichtung
zum Injizieren von Druckgas in den Wasserfluss; (c) eine Mischkammer zum
Mischen des Druckgases mit dem Wasserfluss, um einen Zweiphasenfluss des
Treibmittels vorzusehen; und (d) eine Düse zum Beschleunigen des
Zweiphasenflusses des Treibmittels, um so einen Zweiphasenstrahl zu erzeugen, dadurch
gekennzeichnet, dass die Düse eine selektiv variable Geometrie aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird hier nur mittels eines Beispiels mit Bezug auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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Fig. 1a eine Längsquerschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform
mit fester Geometrie der Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-
Triebwerkszelle gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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Fig. 1b eine Nahansicht des Überschall-Gasinjektors und des Unterschall-
Gasinjektors der Triebwerkszelle zeigt;
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Fig. 1c und 1d die innere Konstruktion der Massen-Fließraten-Controller des
Überschall-Gasinjektors bzw. des Unterschall-Gasinjektors zeigen;
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Fig. 2a und 2b eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht entlang
einer Linie A-A der perspektivischen Ansicht des
Überschall-Gasinjektors zeigen;
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Fig. 2c eine perspektivische Ansicht der multi-modalen perforierten
Umfangsumhüllung des Unterschall-Gasinjektors zeigt;
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Fig. 3 ein Blockdiagramm des Full Autonomy Ramjet Engine Control
Systems (FARECS) zeigt, in welches die Triebwerkszelle mit fester
Geometrie integriert ist;
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Fig. 4a eine Längsquerschnittsansicht der zweiten Ausführungsform mit
fester Geometrie der
Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 4b eine Rückansicht des Überschall-Gasinjektors und des Unterschall-
Gasinjektors der Triebwerkszelle von Fig. 4a zeigt;
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Fig. 5 eine Längsquerschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform
mit variabler Geometrie der Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-
Triebwerkszelle gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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Fig. 6a eine perspektivische Ansicht des Einlaufs der Triebwerkszelle
zeigt;
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Fig. 6b und 6c den Einlauf in seinem vollständig geschlossenen bzw. vollständig
geöffneten Modus zeigen;
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Fig. 7a bis 7e eine Anzahl von Anordnungen des Druckgas-Generators zum
Antreiben der Triebwerkszelle zeigen;
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Fig. 8a eine perspektivische Ansicht einer Düse mit variabler Geometrie
zeigt;
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Fig. 8b eine perspektivische Ansicht einer Düse mit variabler Geometrie
zeigt, welche zum Lenken der Triebwerkszelle eingesetzt wird;
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Fig. 8c bis 8f vier Grundmodi des Betriebs der Düse mit variabler Geometrie
zeigen;
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Fig. 9 ein schematisches Blockdiagramm des Full Autonomy Ramjet
Engine Control Systems (FARECS) zeigt, welches in die
Triebwerkszelle mit variabler Geometrie integriert ist;
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Fig. 10a und 10b Querschnittsansichten einer zweiten Ausführungsform mit
variabler Geometrie der.
Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigen,
welche die Maus der Triebwerkszelle in ihrer vordersten bzw.
hintersten Position zeigt;
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Fig. 11a eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform mit
variabler Geometrie der
Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 11b und 11c eine Querschnittsseitenansicht entlang einer Linie B-B und eine
schematische teilweise Draufsicht entlang einer Linie C-C der
Triebwerkszelle zeigen; und
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Fig. 11d eine schematische teilweise Draufsicht entlang einer Linie C-C der
Triebwerkszelle zeigt, welche einen typischen Modus des Betriebs
der Triebwerkszelle offenbart.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung handelt von Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-
Triebwerkszellen. Insbesondere können die Triebwerkszellen der vorliegenden
Erfindung für einen breiten Bereich von Wasser-basierten Wasserfahrzeugen von
Jet-Skiern und Speed-Booten an bis hin zu Hochleistungs-Luxusyachten, großen
schnellen Fährfahrzeugen und Frachtschiffen angepasst sein. Die
Triebwerkszellen können leicht angepasst werden, um den Anforderungen verschiedener
Anforderungsprofile und Konfigurationen gerecht zu werden, wie beispielsweise
Unterwasser- oder Überwasser-Wasserfahrzeuge, Mono-Schiffskörper, Katamarane,
SWATH, Tragflügelboote, SES, Amphibienfahrzeuge oder Luftkissenboote.
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Die Prinzipien und Betrieb der
Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszellen gemäß der vorliegenden Erfindung können besser mit Bezug auf die
Zeichnungen und die begleitende Beschreibung verstanden werden. Die Beschreibung
betrifft Triebwerkszellen, welche durch eine Flüssigkeit, typischerweise Wasser,
fahren, es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass einer der Vorteile der
Triebwerkszellen der ist, dass sie von einer anfänglichen Standposition vorwärts
getrieben werden können, die eine Null-Geschwindigkeit ist, ohne die
Notwendigkeit für zusätzliche Einheiten.
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Grob gesagt, sind die Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszellen der
vorliegenden Erfindung Wasser-atmende Derivate eines Luft-atmenden
Staustrahlmotors und ihre Grundkonstruktion und Betrieb sind ähnlich zu denjenigen,
welche in US-Patent Nr. 3,171,379 von C.J. Schell et al. beschrieben wurden. Als
solches enthalten die Triebwerkszellen von stromaufwärts nach stromabwärts
einen Einlauf, eine Mischkammer und eine Düse, welche eine im Allgemeinen
symmetrische Stömungsführung realisieren. Die Strömungsführung kann ein im
Allgemeinen kreisförmiges Querschnittsprofil aufweisen, ein im Allgemeinen
ovales Querschnittsprofil oder ein im Allgemeinen rechteckiges Profil. Der
Einlauf enthält eine Einlauf-Stirnwand zum Aufnehmen eines Wasserflusses bei
Reisegeschwindigkeit, getrieben durch den dynamischen Staustrahldruck und einen
Diffuser, welcher die Strömungsführung expandiert, welcher die
Fließgeschwindigkeit des Wassers verlangsamt, wodurch ein Teil der kinetischen Energie des
Wassers in potentielle Energie umgewandelt wird. Die Mischkammer mischt das
Wasser mit Druckgas, um einen Zweiphasen-Wasser/Gas-Blasenfluss zu
erzeugen, welcher dann durch die Düse beschleunigt wird, um einen Zweiphasen-
WasserlGas-Strahl zu bilden, der in der Lage ist, die Triebwerkszelle anzutreiben.
Insgesamt wird ein Antrieb durch den Zweiphasen-Wasser/Gas-Blasenstrom
erreicht, welcher im Stand der Technik als das "Arbeits-Fluid" bekannt ist, welches
Impulsänderungen beim Durchlaufen der Triebwerkszelle unterliegt.
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Jedoch enthalten die Triebwerkszellen eines oder mehrere Merkmale, welche eine
verbesserte Leistungsentfaltung gegenüber Staustrahl-Triebwerkszellen
ermöglichen, welche im Stand der Technik beschrieben sind. Ein solches Merkmal ist,
dass der Betrieb der Triebwerkszellen unter der Steuerung eines Full Autonomy
Ramjet Engine Control Systems (FARECS) stattfindet, welches zum Optimieren
des Antriebspotentials der Triebwerkszellen konstruiert ist. Diese Optimierung
führt zu einer deutlichen Verbesserung in den Handhabungs-Charakteristika von
marinen Schifffahrzeugen; wie beispielsweise Steuerbarkeit, Manövrierbarkeit,
Sicherheit, Schnelligkeit und Wartungsfähigkeit.
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Prinzipiell ist das FARECS ähnlich der mit Computer betriebenen
Steuersystemen, welche für Luftraum-Anwendungen verwendet werden und befindet sich
daher gut innerhalb des Wirkungskreises der Fachleute. Der Entwicklungsstand
des FARECS korreliert mit der Komplexität der Triebwerkszelle, der
Leistungsanforderungen für das Wasserfahrzeug und dergleichen. Typischerweise empfängt
das FARECS Eingabe-Parameter von Cockpit-bezogenen Transducern, z.B.
gewünschte Geschwindigkeit, Richtung, Manöver und dergleichen und von
Eingaben von Staustrahl-bezogenen Transducern, welche innerhalb der
Triebwerkszellen eingesetzt werden. Das FARECS wendet dann Routinen an, um Multi-
Channel-Ausgaben zum Regulieren der Unter-Systeme der Triebwerkszellen
vorzusehen, um Leistungs-Parameter, wie beispielsweise Wasser-Massen-Fließrate,
Schub-Niveau u.ä. zu regulieren. Die Routinen und gewünschten Betriebs-
Parameter können dann in multi-dimensionalen Datenbanken angeordnet werden,
und in Hardware integriert werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
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Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, stellen Fig. 1 bis 3 eine bevorzugte
Ausführungsform mit fester Geometrie einer Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-
Triebwerkszelle, allgemein mit 100 bezeichnet, dar, welche gemäß den Lehren der
vorliegenden Erfindung konstruiert ist und zu betreiben ist. In dieser
Ausführungsform weist Triebwerkszelle 100 einen im Allgemeinen zylindrischen Körper
102 auf, welcher einen Einlauf, im Allgemeinen mit 104 bezeichnet, enthält, eine
Mischkammer 106 und eine Düse 108. In diesem Fall realisieren Einlauf 104,
Mischkammer 106 und Düse 108 ein im Allgemeinen kreisförmiges
Querschnittsprofil.
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Triebwerkszelle 100 wird von der Grundversion des Full Autonomy Ramjet
Engine Control Systems (FARECS) 110 gesteuert, welches Eingaben von dem
Cockpit empfängt, in der Form von "gewünschter Geschwindigkeit" und dem
barometrischen Umgebungsdruck von einem Druck-Transducer 112, und
Eingaben von Staustrahl-bezogenen Transducern, welche in Triebwerkszelle 100 eingesetzt
sind zum Regulieren einer Anzahl von Funktionen, wie im Folgenden
detaillierter beschrieben wird.
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Einlauf 104 enthält einen Einlauf-Durchlass 114 zum Aufnehmen eines
Wasserflusses bei Reisegeschwindigkeit, angetrieben durch den dynamischen Staudruck.
Einlauf 104 enthält auch einen Diffuser 116, stromabwärts des Einlauf-
Durchlasses 114 zum Expandieren der Aufnahme von Wasser, wodurch
kinetische Energie in potentielle Energie in der Form von statischem Druck
umgewandelt wird. Transducer, welche im Einlauf 104 eingesetzt sind zum Vorsehen von
Eingaben an FARECS 110 enthalten vorzugsweise einen Druck-Transducer 118
zum Messen des statischen Drucks des Wassers in der Nähe des Einlauf-
Durchlaufs 114 und einen Druck-Transducer 120 zum Messen des Gesamtdrucks
des Wassers in der Nähe des Einlauf-Durchlasses 114.
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Stromabwärts des Diffusers 116 mischt Mischkammer 106 das Wasser mit
Druckgas von einem Druckgas-Generator 122, um ein hoch-dichtes aber
kompressibles Zweiphasen-Wasser/Gas-Arbeits-Fluid zu bilden. Ein Druck-
Transducer 124 sieht den tatsächlichen statischen Druck in Mischkammer 106 an
FARECS 110 vor. Das Zweiphasen-Wasser/Gas-Blasen-Arbeitsfluid wird
beschleunigt während es stromabwärts innerhalb der Mischkammer 106 fließt, so
dass es in einen Zweiphasen-Wasser/Gas-Strahl umgewandelt wird. Der
Querschnittsbereich der Mischkammer 106 ist vorzugsweise größer als der
Querschnittsbereich des Ausgangs des Diffusers 116, so dass ein ringförmiger Rand
126 dazwischen vorgesehen ist. Die Zunahme im Querschnittsbereich ermöglicht
eine plötzliche Expansion des Arbeits-Fluids, was Volumen für eine größere
Menge von Druckgas, welches mit dem Wasser zu mischen ist, vorsieht, zum
Erzielen der Schubleistung.
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Druckgas-Generator 122 liefert Druckgas entlang einer Zuführleitung 128, welche
über eine Beruhigungs- und Regulierungs-Kammer 130 zu entweder einem
Überschall-Gasinjektor 132 oder einem Unterschall-Gasinjektor 134 leitet für eine
Injektion
in die Mischkammer 106. FARECS 110 reguliert sowohl den Druck des
Druckgases, welches durch Druckgas-Generator 122 vorgesehen wird, als auch
die Verteilung von Druckgas zwischen Überschall-Gasinjektor 132 und
Unterschall-Gasinjektor 134 durch die Verwendung von Massen-Fließraten-Controllern
136 bzw. 138, was am besten in Fig. 1b gesehen werden kann.
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Kurz auf Fig. 1c eingehend, enthält Massen-Fließraten-Controller 136 des
Überschall-Gasinjektors 132 ein variables Ventil 140, welches von FARECS 110
gesteuert wird, zum Bestimmen der Massen-Fließrate von Druckgas dadurch
hindurch, einen Druck-Transducer 142 zum Messen des statischen Drucks des
Druckgases vor Injektion, einen Druck-Transducer 144 zum Messen des
Gesamtdrucks des Druckgases vor Injektion und einen Temperatursensor 146 zum
Messen der Temperatur vor Injektion des Druckgases. In ähnlicher Weise wie in Fig.
1d gezeigt, enthält Massen-Fließraten-Controller 138 des
Unterschall-Gasinjektors 134 ein variables Ventil 148, welches von FARECS 110 gesteuert wird
zum Bestimmen der Massen-Fließrate von Druckgas dadurch hindurch, einen
Druck-Transducer 150 zum Messen des statischen Drucks des Druckgases vor
Injektion, einen Druck-Transducer 152 zum Messen des Gesamtdrucks des
Druckgases vor Injektion und einen Temperatursensor 154 zum Messen der
Temperatur des Druckgases vor Injektion.
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Zurückkehrend zu Fig. 1a, fährt der Zweiphasenstrahl auf ein Einführen in Düse
108 hin fort, zu beschleunigen während er sich Durchlass 156 von Düse 108
nähert, aufgrund einer Abnahme im Querschnittsbereich der Strömungsführung und
einer Abnahme in der Dichte des Arbeits-Fluids, während die Massen-Fließrate
des Arbeits-Fluids kontinuierlich und gleichmäßig verbleibt. Wenn der
Zweiphasen-Wasser/Gas-Strahl den Durchlass 156 erreicht, sollte er vorzugsweise
gedrosselt sein. Eine weitere Beschleunigung des Zweiphasen-Wasser/Gas-Strahls wird
durch Düsen-Divergenz zwischen Durchlass 156 und Ausgang 158 von Düse 108
erreicht aufgrund der Arbeit, die die Blasen auf das Wasser ausüben, während sie
expandieren bis der statische Druck des Zweiphasenstrahls sich dem statischen
Umgebungsdruck angleicht, welcher außerhalb von Triebwerkszelle 100
vorherrscht, während der Strahl durch Ausgang 158 ausgelassen wird. Somit wird der
Antriebsschub durch Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle 100
durch die Konversion von potentieller Druckenergie des Zweiphasen-Wasser/Gas-
Blasenflusses in kinetische Energie des Zweiphasenstrahls erreicht.
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Mit Bezug nun auf Fig. 2a bis 2c ist der Überschall-Gasinjektor 132 vorzugsweise
in der Form eines Ringbrausenkopfs 160, welcher zwischen Regulierungskammer
130 und Mischkammer 106 eingesetzt ist zur schrägen Injizierung von Druckgas
in Richtung der Achse der Mischkammer 106, während Unterschall-Gasinjektor
134 vorzugsweise in der Form einer multi-modalen Umfangsumhüllung 162 zur
radialen Injektion von Druckgas in Richtung der Achse der Mischkammer 106 ist.
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Wie am besten in Fig. 2a und 2b gesehen werden kann, sich t Überschall-
Gasinjektor 132 Druckgas durch eine Reihe von konvergierenden-divergierenden
Anschlüssen 164 vor zum Nutzbarmachen der Wärmeenergie des Druckgases und
Konvergieren derselben in kinetische Energie, was wiederum Schub erzeugt. Die
Umwandlung von Wärmeenergie in Schub wird durch zwei thermodynamische
Mechanismen erreicht. Erstens, wenn das injizierte Gas kälter als das Wasser ist,
in welches es hineininjiziert wird, wird Wärmeenergie von dem Wasser extrahiert
was eine Expansion des Druckgases und die Beschleunigung des Zweiphasen-
Blasenstrahls stromabwärts vorsieht, um so Schub-Effizienz zu erhöhen. Und
zweitens überträgt der Druckgas-Strahl etwas von seiner Energie auf das Wasser
über Flüssigkeitsreibung, wodurch der Zweiphasen-Blasenstrom auch
stromabwärts beschleunigt wird. Somit kann leicht verstanden werden, dass Überschall-
Gas-Injizierung als ein einzigartiger Mechanismus sowohl zur Beschleunigung
der Triebwerkszelle 100 von einer Null-Geschwindigkeit und für effiziente
zusätzliche Schub-Beschleunigungskraft dient.
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Unterschall-Gasinjektor 150 sieht Druckgas vor durch eine perforierte
Umfangsumhüllung 162 in der Form von einer sehr großen Anzahl von Blasen zum intensiven
Mischen mit dem Wasser, um einen im Allgemeinen homogenen
Zweiphasen-Blasenstrom zu erzeugen. Die Geschwindigkeit der Unterschall-Gas-Injektion
wird relativ zum Wasser niedrig gehalten, um Effizienz zu maximieren. Innerhalb
des Zweiphasen-Blasenstroms wirkt jede Blase direkt gegen einen inkrementalen
Anteil von Wasser, so dass der Blasenstrom stromabwärts effizient beschleunigt
wird. Eine perforierte Umfangsumhüllung 162 ist vorzugsweise multi-modal, um
so den volumetrischen Anteil von Druckgas zu erhöhen, welcher in das Wasser
injiziert werden kann, während ein Blasen-Regime eher beibehalten wird als bei
einer Perforation 174 mit einer einzigen Größe. Jedoch kann eine perforierte
Umfangsumhüllung mit geringen Kosten und mit einer einzigen Größe perforiert auch
in einer vereinfachten Version eine Triebwerkszelle 100 eingesetzt werden.
Weiterhin kann Unterschall-Gasinjektion auch durch Ringbrausenkopf 160
durchgeführt werden.
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Weitere Entwicklungen, welche in Überschall-Gasinjektor 132 und Unterschall-
Gasinjektor 134 eingesetzt werden können zum Erleichtern einer besseren
Steuerung über die Entfaltung von Massen-Fließverhältnissen zwischen den Phasen und
daher der Entfaltung von Leistungseingabe in das Arbeits-Fluid und seine
Umwandlung in antreibende Leistung, enthalten: Überschall- und Unterschall-
Gasinjektion, welche mit oder ohne Wirbel der Gasstrahle vorgesehen wird;
Überschall- und Unterschall-Gasinjektion mit oder ohne Kreuzen der Gasstrahle;
variable Überschall- und Unterschall-Gasinjektions-Geschwindigkeitsprofile; und
Überschall- und Unterschall-Gasinjektion durch Perforationen, welche eine nicht-
einheitliche Verteilung von Durchmessern und Formen aufweisen mit oder ohne
Hinsicht auf eine Platzierung des Injektionsanschlusses.
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Mit Bezug auf Fig. 3 werden für eine Grund-Triebwerkszelle 100 mit fester
Geometrie die Eingaben an FARECS 110 und die Multi-Channel-Ausgaben von
FARECS 110 nun in Tabellenformat zusammengefasst. Somit werden die
Eingaben vom Cockpit des Wasserfahrzeugs in einem Block, welcher mit 166
gekennzeichnet ist, zusammengefasst und mit dem Titel "EINGABE VON COCKPIT-
BEZOGENEN TRANSDUCERN", während die Eingaben von den Druck-
Transducern, Temperatursensoren und anderen Vorrichtungen, welche innerhalb
Triebwerkszelle 110 eingesetzt sind in einem Block, welcher mit 168 und mit dem
Titel "EINGABE VON STAUSTRAHL-BEZOGENEN TRANSDUCERN"
gekennzeichnet ist. In einfacher Weise wird die Ausgabe von FARECS 110 in einem Block zusammengefasst, welcher mit 170 und mit dem Titel "DIREKT
GESTEUERTE PARAMETER" gekennzeichnet ist. Die Leistungs-
Charakteristika der Triebwerkszelle 100, welche als Resultat der Regulierung der
"DIRECTLY CONTROLLED PARAMETERS" modifiziert werden, werden in
einem Block zusammengefasst, welcher mit 172 ist und mit dem Titel
"INDIREKT GESTEUERTE PARAMETER" gekennzeichnet ist.
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Somit enthält die Eingabe in Block 166 an FARECS 110, ist aber nicht darauf
beschränkt auf "gewünschte Geschwindigkeit" von einer manuellen Eingabe-
Schnittstelle, wie beispielsweise eine Tastatur oder eine Drossel, und
barometrischer Umgebungsdruck von Transducer 112. Die Eingabe in Block 168 enthält, ist
aber nicht darauf beschränkt: "statischer Einlassdruck" von Transducer 118;
"Gesamt-Einlassdruck" von Transducer 120; "statischer Druck in Mischkammer" von
Transducer 124; Überschall "statischer Gasdruck" vor Injektion von Transducer
142; Überschall "Gesamt-Gasdruck" vor Injektion von Transducer 144;
Überschall "Gas-Temperatur" vor Injektion von Temperatursensor 146; Unterschall
"statischer Gasdruck" vor Injektion von Transducer 150; Unterschall "Gesamt-
Gasdruck" vor Injektion von Transducer 152; und Unterschall "Gasstrahl-
Temperatur" vor Injektion von Temperatursensor 154.
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Die Multi-Channel-Ausgabe in Block 170 enthält, ist aber nicht darauf
beschränkt, eine Regulierung von: "Druckgas-Druck", welcher durch Druckgas-
Generator 122 zugeführt wird; "Druckgas-Massen-Fließrate" von Überschall-
Gasinjektor 132 via Controller 136; "Druckgas-Massen-Fließrate" von
Unterschall-Gasinjektor 134 via Controller 138; und "Druckgas-Verteilung" zwischen
Überschall-Gasinjektor 132 und Unterschall-Gasinjektor 134. Wie in Block 172
gezeigt, reguliert eine Regulierung dieser Parameter wiederum Parameter, welche
enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind: "Zweiphasen-Wasser/Gas-Massen-
Fließ-Verhältnis"; "volumetrisches
Zweiphasen-Wasser/Gas-Massen-Fließverhältnis"; "Schub-Niveau (Leistung)" der Triebwerkszelle 100; und "Antriebs-
Effizienz" von Triebwerkszelle 100.
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Mit Bezug nun auf Fig. 4a und 4b wird eine zweite Ausführungsform mit fester
Geometrie einer Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle gezeigt,
welche im Allgemeinen mit 200 gekennzeichnet ist. Triebwerkszelle 200 weist
eine ähnliche Konstruktion und Betrieb wie Triebwerkszelle 100 auf, und daher
sind ähnliche Elemente entsprechend nummeriert.
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Wie gezeigt, wird eine Gas-Injektion von Triebwerkszelle 200 durch einen
Zentralkörper ausgeführt, im Allgemeinen mit 276 gekennzeichnet, welcher einen
Brausenkopf 278 für eine axiale Injektion von Druckgas in Mischkammer 206
enthält und Stützarme 280, welche sich vom Zentralkörper 276 zum ringförmigen
Rand 226 erstrecken für eine schräge Injektion von Druckluft in Richtung der
Achse der Mischkammer 206. Brausenkopf 278 enthält vorzugsweise zwei Reihen
von Gas-Injektoren, eine erste Reihe 282 für eine Überschall-Gasinjektion und
eine zweite Reihe 284 für eine Unterschall-Gasinjektion. In der gleichen Weise
enthalten Stützarme 280 zwei Reihen von Gas-Injektoren, eine erste Reihe 286 für
Überschall-Gasinjektion und eine zweite Reihe 288 für Unterschall-Gasinjektion.
Es können andere Modifikationen für einen Überschall-Gasinjektor 132 und einen
Unterschall-Gasinjektor 134 eingesetzt werden, wie oben mit Bezug auf den
Überschall- und Unterschall-Gasinjektor von Triebwerkszelle 100 beschrieben
wurde.
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Mit Bezug nun auf Fig. 5 bis 9 ist eine bevorzugte Ausführungsform mit variabler
Geometrie einer Unterwasser-Zweiphasen-Staustrahl-Triebwerkszelle gezeigt,
welche im Allgemeinen mit 300 bezeichnet ist. Triebwerkszelle 300 weist eine
ähnliche Konstruktion und Betrieb wie Triebwerkszelle 100 auf, und daher sind
gleiche Elemente entsprechend nummeriert, während zusätzliche Elemente
nummeriert sind, beginnend von 400. Die Hauptunterschiede zwischen
Triebwerkszelle 300 und Triebwerkszelle 100 betreffen Einlauf 304, welcher eine variable
Geometrie aufweist, Düse 308, welche eine variable Geometrie aufweist, ein
weitaus hochentwickelteres FARECS 310 und die Vielzahl von verschiedenen
Typen von Druckgas-Generatoren 322, welche eingesetzt werden können. Die
Flexibilität, welche durch diese Merkmale der vorliegenden Erfindung vorgesehen
wird, ermöglicht es der Triebwerkszelle 300 eine Leistung zu erreichen, welche
früher nicht durch konventionelle Triebwerkszellen ermöglicht war.
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Einlauf 304 enthält Einlauf-Durchlass 314, welcher einen variablen
Querschnittsbereich aufweist und Diffuser 360, welcher eine variable Rate von Änderungen
des Querschnittsbereichs zum Steuern des Einlaufs des Wasserflusses in
Triebwerkszelle 300 aufweist. Die variable Geometrie des Einlaufs 304 kann durch
konische Segmente implementiert werden, in welchen der Grad des Überlappens
zwischen nebeneinanderliegenden konischen Segmenten selektiv variiert werden
kann, wie unten beschrieben wird, oder durch die reziproke Versetzung des
Zentralkörpers, wie unten mit Bezug auf Fig. 10a und 10b beschrieben wird. Wie
gezeigt, wird ein kinetischer Einlauf-Mechanismus, im Allgemeinen mit 410
bezeichnet, unter der Steuerung des FARECS 310 verwendet zum Bestimmen des
Querschnittsbereichs des Einlauf-Durchlasses 314 und der variablen Rate an
Änderung des Querschnittsbereichs des Diffusers 316.
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Nun bezugnehmend auf Fig. 6a bis 6c, ist ein Einlass-Durchlass 314 aus kleineren
konischen Segmenten 402 hergestellt, welche sich nach hinten von flexiblen
Stützen 404 erstrecken, welche in Richtung der Vorderseite des Einlaufs 304
angeordnet sind, während Diffuser 316 aus größeren konischen Segmenten 406
hergestellt ist, die sich von schwenkbaren Stützen 408 erstrecken, welche in Richtung
der Hinterseite des Diffusers 316 angeordnet sind. Zu jedem Zeitpunkt überlagern
kleinere konische Segmente 402 größere konische Segmente 408 entlang der
Längsachse von Triebwerkszelle 300, um eine weiche kontinuierliche hydrodynamische
Öffnung gegenüber dem hereinkommenden Wasserfluss zu
präsentieren, der Grad der Überlagerung wird jedoch gemäß der Geometrie von Einlauf
304 eingestellt.
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Typischerweise werden zehn kleinere konische Segmente 402 eingesetzt, um
Einlauf-Durchlass 314 herzustellen, in einer solchen Weise, dass sein
Querschnittsbereich selektiv zwischen ungefähr einem Zehntel bis auf ungefähr eine
Hälfte des Querschnittsbereichs von Mischkammer 306 variiert werden kann. In
einer gleichen Weise werden typischerweise zehn größere konische Segmente 406
eingesetzt, um Diffuser 316 in solch einer Weise herzustellen, dass sein
Divergenz-Winkel selektiv zwischen ungefähr -10º auf ungefähr 10º variiert werden
kann. Typischerweise werden kleinere konische Segmente 402 und größere
konische Segmente 406 in Paaren bedient durch einen kinematischen Einlauf-
Mechanismus 410.
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Ein kinetischer Einlauf-Mechanismus 410 bedient vorzugsweise jedes Paar von
kleineren konischen Segmenten 402 und größeren konischen Segmenten 406
individuell, wie nun beschrieben wird.
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Ein kinematischer Einlauf-Mechanismus 410 ist in einer ringförmigen Kammer
412 aufgenommen, welche in Richtung der Vorderseite von Triebwerkszelle 300
angeordnet ist. Ein Aktuator 414, welcher schwenkbar auf einer Wand von
Kammer 412 montiert ist, erstreckt sich nach vorne zum Regulieren des Winkels einer
Strebe 416, welche sich von einem Drehpunkt 418 erstreckt, welche auch auf
einer Wand von Kammer 412 montiert ist. Das freie Ende der Strebe 416 endet als
Zylinder 420, welcher sich innerhalb von Schlitzen 422 hin und her bewegt,
welcher auf größeren konischen Segmenten 406 montiert ist zum selektiven
Versetzen größerer konischer Segmente 406 in Abhängigkeit vom Zustand des
Aktuators 414. Eine Strebe 424 ist schwenkbar auf Strebe 416 montiert und ist auch
schwenkbar auf kleineren konischen Segmenten 402 montiert, so dass eine
Aktivierung von Aktuatoren 414 auch kleinere konische Segmente 402 versetzt. Aktuator
414 kann ein hydraulischer Aktuator sein, ein pneumatischer Aktuator, ein
elektro-mechanischer Aktuator und dergleichen.
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Fig. 6b zeigt einen kinematischen Einlauf-Mechanismus 410, welcher zum
Minimieren des Querschnittsbereichs von Einlauf-Durchlass 314 eingesetzt wird, und
zum Maximieren der Rate an Veränderung des Querschnittsbereichs des Diffusers
316, auf welchen als der "vollständig geschlossene Einlauf-Modus" des
kinematischen Einlauf-Mechanismus' 410 Bezug genommen wird. Im Gegensatz zu Fig.
6b, zeigt Fig. 6c einen kinematischen Einlauf-Mechanismus 410, der zum
Maximieren des Querschnittsbereichs von Einlauf-Durchlauf 314 eingesetzt ist und
zum Minimieren der Rate an Änderungen des Querschnittsbereichs des Diffusers
316, auf welchen als der, "vollständig geöffnete Einlauf-Modus" des
kinematischen Einlauf-Mechanismus 410 Bezug genommen wird. Ein kinematischer
Einlauf-Mechanismus 410 kann kontinuierlich von seinem vollständig geschlossenen
Einlauf-Modus zu seinem vollständig geöffneten Einlauf-Modus variiert werden
und umgekehrt durch die Aktivierung der Aktuatoren 414 durch FARECS 310.
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Druckgas-Generator 322 variiert typischerweise entsprechend des Typ des
Wasserfahrzeugs, welches durch Triebwerkszelle 300 anzutreiben ist. Grob gesagt
hängt der Typ des Druckgas-Generators 322 davon ab, ob das Wasserfahrzeug,
welches anzutreiben ist, ein auf der Wasseroberfläche fahrendes Wasserfahrzeug
oder ein Unterwasser-Fahrzeug ist. Beim Antreiben eines Wasseroberflächen-
Wasserfahrzeugs ist Druckgas-Generator 322 vorzugsweise ein Kompressor eines
Luft-atmenden Typs, welcher entfernt von Triebwerkszelle 300 angeordnet ist,
wie nun mit Bezug auf Fig. 7a bis 7e beschrieben sein wird. Fig. 7a zeigt einen
Gaskompressor, der mit einem sich hin und her bewegenden Benzinmotor 426
gekoppelt ist, welcher geeignet ist für Niedrigleistungs- und
Niedriggeschwindigkeits-Anwendungen. Fig. 7b zeigt eine Gasturbine 428, welche einen Kompressor,
eine Verbrennungskammer und eine Turbine enthält, welche für Mittel- bis
Hochleistungs- und/oder Geschwindigkeits-Anwendungen geeignet ist, wo
Druckgas direkt von dem Stromabwärtsende eines Gasturbinen-Kompressors
extrahiert
wird. Fig. 7c zeigt, dass Druckgas von einem separaten Kompressor C&sub2;
extrahiert wird, welcher mit einer Turbo-freien Turbine T&sub2; gekoppelt ist. Solch
eine Anordnung ist geeignet für Mittelgeschwindigkeits-Anwendungen. Für
Höchstgeschwindigkeits-Anwendungen können mehrere Turbokompressoren
benötigt werden, wobei jeder als eine Kompressionsstufe dient, mit Inter-Cooler/n
(Wärmetauscher/n) zwischen den Stufen. Dies könnte mit Multi-Spulen-
Gasgeneratoren ausgeführt sein, wobei die Spulenachsen entweder koaxial und
longitudinal beabstandet sind (Fig. 7d) oder lateral voneinander beabstandet sind
(Fig. 7e). Beim Ändern von einer Niedriggeschwindigkeits-Reisegeschwindigkeit
auf Hochgeschwindigkeits-Beschleunigung kann eine Gaserzeugung von einer
einzelnen Stufenkompression auf eine Multi-Stufenkompression geändert werden,
wie entweder in Fig. 7d oder 7e gezeigt ist, wobei ein Ventilsystem verwendet
wird, welches durch FARECS 310 geregelt wird.
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Beim Antreiben eines Unterwasser-Fahrzeugs ist es typischerweise für Druckgas-
Generator 322 notwendig, in Triebwerkszelle 300 integriert zu sein für einen
anaeroben Modus des Betriebs. In diesem Fall findet eine Erzeugung von Gas in einer
speziellen Reaktorkammer statt, welche sich angrenzend an Mischkammer 306
befindet, und/ oder in einer ringförmigen Kammer, welche koaxial zur
Triebwerkszelle 300 ist. Alternativ kann Druckgas von einem entfernten Druckgas-
Generator durch eine Röhrenleitung geführt werden. In allen oben genannten
Anordnungen wird Druckgas vorzugsweise entweder durch einen gesteuerten
Raketenmotor erzeugt, welcher festen oder flüssigen Treibstoff verbraucht, einzel- oder
multi-basiert, oder durch eine kontrollierte Reaktion zwischen einem Metall,
einschließlich aber nicht darauf beschränkt, Al, B, K, Li, Na, Zr oder Triethyl-
Aluminium und Wasser. Solche Anordnungen sind für hydro-pneumatische
Staustrahlmotoren im Stand der Technik beschrieben worden.
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Mit Bezug nun auf Fig. 8a bis 8f weist Düse 308 eine variable innere Geometrie
auf zum Optimieren der Leistung von Triebwerkszelle 300 durch Sicherstellen,
dass der Zweiphasen-Fluss hochbeschleunigt wird, um an Durchlass 356 von Düse
308 gedrosselt zu werden, während eine Expansion exakt am Ausgang 358 von
Düse 308 beendet wird zum Maximieren sowohl von Schub und
Antriebseffzienz. Die variable innere Geometrie von Düse 308 ist vorzugsweise in einer
ähnlichen Weise wie für Einlauf 304 beschrieben wurde eingesetzt, jedoch wird in der
Praxis ein komplizierterer kinematischer Düsenmechanismus 432 benötigt, um
sicherzustellen, dass die Querschnittsbereiche sowohl des Durchlasses 356 und
Auslasses 358 unabhängig reguliert werden können, wodurch eine viel größere
Steuerung über Triebwerkszelle 300 vorgesehen wird. Typischerweise erlaubt ein
kinematischer Düsenmechanismus 432 bis zu vier Freiheitsgrade.
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Somit enthält Düse 308 konische Segmente 434 zum Regulieren des
Querschnittsbereichs von Durchlass 356 und konische Segmente 436 zum Regulieren
des Querschnittsbereichs des Auslasses 358. Eine Regulierung der
Querschnittsbereiche wird durch Einstellen des Grades an Überlappung von
nebeneinanderliegenden konischen Segmenten erreicht. Typischerweise werden zehn konische
Segmente 434 so eingesetzt, dass der Querschnittsbereich des Durchlasses 356
selektiv zwischen ungefähr einem Drittel des Querschnittsbereichs der
Mischkammer 306 auf ungefähr im Wesentlichen das Gleiche des Querschnittsbereichs
der Mischkammer 306 variiert werden kann. In einer ähnlichen Weise werden
typischerweise zehn Grundsegmente 436 so eingesetzt, dass der
Querschnittsbereich des Ausgangs 358 selektiv zwischen ungefähr einem Viertel des
Querschnittsbereichs der Mischkammer 306 auf etwas mehr als den
Querschnittsbereich der Mischkammer 306 variiert werden kann. Typischerweise werden
konische Segmente 434 und konische Segmente 436 in Paaren durch einen
kinematischen Düsenmechanismus 432 bedient. Zu allen Zeitenpunkten präsentieren
konische Segmente 434 und konische Segmente 436 eine weiche kontinuierliche
hydrodynamische Öffnung für den Zweiphasen-Strahl, welcher von Triebwerkszelle
300 ausgegeben wird.
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Ein kinematischer Düsenmechanismus 432 wird nun für ein einzelnes konisches
Segment 434 und konisches Segment 436-Paar beschrieben werden. Das vordere
Ende des konischen Segments 434 wird durch eine flexible Stütze 438 getragen,
die auf Körper 302 montiert ist, während sein hinteres Ende durch eine Strebe 440
getragen wird, welche schwenkbar an einem Ende mit Körper 302 montiert ist,
während es am anderen Ende in einer Rolle 442 endet, welcher sich innerhalb
Schlitzen 444 hin und her bewegt, montiert in Richtung des hinteren Endes des
konischen Segmentes 434. Ein Aktuator 446, welcher schwenkbar auf Körper 302
montiert ist, unter der Steuerung von FARECS 310, wird zum Regulieren des
Winkels der Neigung der Strebe 440 hinsichtlich des Körpers 302 eingesetzt,
welcher wiederum den Winkel der Neigung des konischen Segments 434 reguliert,
wodurch selektiv der Querschnittsbereich des Durchlasses 356 gesteuert wird.
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Das vordere Ende des konischen Segments 436 wird durch eine flexible Stütze
448 getragen, welche auf dem hinteren Ende des konischen Segments 434
montiert ist, während sein hinteres Ende auch schwenkbar durch Strebe 440 getragen
wird via einen Aktuator 450. Aktuator 450, unter der Steuerung von FARECS
310, wird eingesetzt zum Regulieren des Winkels der Neigung des konischen
Segments 436 hinsichtlich des konischen Segments 434, wodurch selektiv der
Querschnittsbereich des Ausgangs 356 gesteuert wird.
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Ein besonderes Merkmal der Düse 308 ist, dass sie auch eine selektiv variable
äußere Oberfläche vorsieht, welche im Allgemeinen mit 452 bezeichnet ist, was
Triebwerkszelle 300 mit einer weichen kontinuierlichen hydrodynamischen
Öffnung versieht, was wiederum einen minimalen hydrodynamischen Widerstand
(Rücktrieb) durch all ihre Modi des Betriebs vorsieht. Oberfläche 452 ist aus sich
nach hinten erstreckenden konischen Segmenten 454 hergestellt, welche konische
Segmente 456 überlagern. Konische Segmente 452 erstrecken sich nach hinten
von flexiblen Stützen 458, welche auf Körper 302 montiert sind, während
konische Segmente 456 sich nach vorne erstrecken, von flexiblen Stützen 460, welche
auf hinteren Enden der konischen Segmente 436 montiert sind. Wie im Folgenden
klar werden wird, variiert der Grad an Überlagerung zwischen konische Segmente
454 und konischen Segmenten 456 gemäß dem Modus des Betriebs der Düse 308.
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Mit Bezug nun auf Fig. 8c bis 8f, sieht Düse 308 mit variabler Geometrie der
Triebwerkszelle 300 ein Wasserfahrzeug mit Lenk- und Schubumkehr-
Fähigkeiten vor, ohne die Verwendung jeglicher externer beweglicher Teile,
sowie beispielsweise die im Allgemeinen verwendeten lenkbaren hydraulischen
Zellen. Ein Steuern kann durch eine Zweiphasenstrahl-Ablenkung erreicht
werden, durch Kippen von Düse 308 in der erforderlichen Richtung einschließlich
Horizontal(links-rechts)- und Vertikal(auf-ab)-Bewegung. Eine Schubumkehr
kann erreicht werden durch weites Offenhalten von Einlauf 304, während sowohl
Durchlass 356 und Ausgang 358 der Düse 308 geschlossen werden und Injizieren
von Druckgas, wobei nur Unterschall-Gasinjektor 334 verwendet wird. Jegliche
graduelle Änderung im Verhältnis zwischen den Querschnittsbereichen des
Einlaufs 304 und Durchlasses 356 und Ausgang 358 der Düse 308 ändern graduell
den Grad der Schubumkehr, wodurch eine kontinuierliche und weiche Änderung
vorn Rückwärtsmodus auf Vorwärtsschubmodus und umgekehrt erleichtert wird.
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Fig. 8c bis 8f stellen die vier Grundmodi des Betriebs der Düse 308 dar, in
welchen Fig. 8c Düse 308 mit einem vollständig geöffneten Durchlass und einem
vollständig geöffneten Ausgang für eine Mittel- bis Hochgeschwindigkeits-
Beschleunigung zeigt, Fig. 8d zeigt Düse 308 mit vollständig geöffnetem
Durchlass und einem vollständig geschlossenen Ausgang für eine Mittel- bis
Niedriggeschwindigkeits-Beschleunigung, Fig. 8e zeigt eine Düse mit vollständig
geschlossenem Durchgang und einem vollständig offenen Ausgang für eine ökonomische
Hochgeschwindigkeits-Reisegeschwindigkeit, während Fig. 8f eine Düse mit
geschlossenem Durchgang und einem vollständig geschlossenen Ausgang für
Schubumkehr oder leichten Schub zeigt. Wie oben erwähnt, kann die variable innere
Geometrie der Düse 308 kontinuierlich variiert werden, während überlagernde
konische Segmente 454 und 456 eine hydrodynamische Öffnung zu allen
Zeitpunkten präsentieren.
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Zurückkehrend zu Fig. 5, enthält Triebwerkszelle 300 eine Anzahl von Druck-
Transducern, Temperatursensoren und anderen Vorrichtungen zum Vorsehen
zusätzlicher Eingaben an FARECS 310. Diese enthalten, sind aber nicht darauf
beschränkt: einen Temperatursensor 462 zum Messen der Temperatur des Wassers
in der Nähe des Einlaufs 304; Temperatursensoren 464 und 466 zum Messen der
Temperatur der Temperatur des Druckgases vom Überschall-Gasinjektor 332
bzw. Unterschall-Gasinjektor 334 während seiner Injektion in Mischkammer 306,
einen Druck-Transducer 468 zum Messen des statischen Drucks am Durchlass
356 der Düse 306; und einen Druck-Transducer 470 zum Messen des statischen
Drucks am Ausgang 358 der Düse 308.
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Mit Bezug nun auf Fig. 9 werden für Triebwerkszelle 300 mit variabler Geometrie
die Eingaben an FARECS 310 und die Multi-Channel-Ausgabe von FARECS 310
in Tabellenformat zusammengefasst. Somit wird die Eingabe vom Cockpit an das
Wasserfahrzeugs in einem Block zusammengefasst, welcher mit 366 und mit dem
Titel "EINGABE VON COCKPIT-BEZOGENEN TRANSDUCERN"
gekennzeichnet ist, während die Eingabe von den Druck-Transducern,
Temperatursensoren und anderen Vorrichtungen, welche in der Triebwerkszelle 300 eingesetzt sind
in einem Block zusammengefasst sind, welcher mit 368 und mit dem Titel
"EINGABE VON STAUSTRAHL-BEZOGENEN TRANSDUCERN"
gekennzeichnet ist. In einer ähnlichen Weise wird die Ausgabe von FARECS 310 in
einem Block zusammengefasst, welcher mit 370 und mit dem Titel "DIREKT
GESTEUERTE PARAMETER" gekennzeichnet ist. Die Leistungs-
Charakteristika der Triebwerkszelle 300, welche als Resultat der Regulierung der
"DIRECT GESTEUERTEN PARAMETER" modifiziert werden, werden in
einem Block zusammengefasst, welcher mit 372 und mit dem Titel "INDIRECT
GESTEUERTE PARAMETER" gekennzeichnet ist.
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Daher enthält die Eingabe in Block 366 an FARECS 310, ist aber nicht darauf
beschränkt: "gewünschte Geschwindigkeit" von einer manuellen Eingabe-
Schnittstelle wie beispielsweise einer Tastatur oder einer Drosselklappe; "gewünschte
Richtung" - Vorwärts, Rückwärts, Links, Rechts und Azimut;
"gewünschter Gleichgewichtswinkel"; "gewünschtes Manöver" - vollständige
Verzögerung an einem vorbestimmten Ort, laterale Translation, stationäre Rotation,
etc.; "gewünschtes Optimum" - Schub oder Effizienz; "Richtungsorientierung
und Position" - entweder vom Navigationssystem oder Tastatur; "Bereich zum
angrenzenden Hindernis" wie beispielsweise ein Pier, ein Boot oder ein Riff von
Untersystemen wie beispielsweise ein LASER-Bereichsfinder, ein SONAR-Gerät,
ein RADAR oder eine manuelle Eingabe-Schnittstelle wie beispielsweise eine
Tastatur; und barometrischer Umgebungsdruck vom Transducer 312.
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Die Eingabe in Block 368 enthält, ist aber nicht darauf beschränkt: "statischer
Druck am Einlauf' von Transducer 318; "Gesamtdruck am Einlauf' von
Transducer 320; "Einlauf-Temperatur" von Temperatursensor 462; "statischer Druck in
Mischkammer" von Transducer 324; Überschall-"statischer Gasdruck" vor
Injektion von Transducer 342; Überschall-"Gesamt-Gasdruck" vor Injektion von
Transducer 344; Überschall-"Gas-Temperatur" vor Injektion von
Temperatursensor 346; Unterschall-"statischer Gasdruck" vor Injektion von Transducer 350;
Unterschall-; ,Gesamt-Gasdruck" vor Injektion von Transducer 352; und
Unterschall-"Gasstrahl-Temperatur" vor Injektion von Temperatursensor 354.
"Mischkammer-Überschall-Strahl-Temp." von Temperatursensor 464; "Mischkammer-
Unterschall-Strahl-Temperatur" von Temperatursensor 466; "statischer Druck von
Düsendurchlass" von Druck-Transducer 468; und "statischer Druck am Düsen
Ausgang" von Druck-Transducer 470.
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Die Multi-Channel-Ausgabe in Block 370 enthält, ist aber nicht beschränkt auf die
Regulierung von: "Einlauf-Querschnittsbereich" von Einlauf-Durchlass 314;
"Divergenzgrad-Diffuser" des Diffusers 316; "Druckgas-Druck" zugeführt durch
Druckgas-Generator 322; "Druckgas-Massen-Fließrate" von Überschall-
Gasinjektor 332; "Druckgas-Massen-Fließrate" von Unterschall-Gasinjektor 334;
"Druckgas-Verteilung" zwischen Überschall-Gasinjektor 332, Unterschall-
Gasinjektor 334 und Strahlablenker (s. Fig. 10); "Düsen-Durchlass-
Querschnittsbereich" von Durchlauf 356, "Düsen-Ausgangs-Querschnittsbereich"
von Ausgang 358; und "Düsen-Ausgangs-Richtung/Orientierung" des Ausgangs
358.
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Wie in Block 372 gezeigt, reguliert eine Regulierung dieser Parameter wiederum
Parameter welche enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind: "Wasser-Massen-
Fließrate" durch Triebwerkszelle 300; "Zweiphasen-Wasser/Gas-Massen-Fließ-
Verhältnis"; "volumetrisches Zweiphasen-Wasser/Gas-Fließ-Verhältnis"; ,"Schub-
Niveau (Leistung)" der Triebwerkszelle 300; "Schubrichtung" der Düse 308;
"Schiffskörper-Trim-Winkel"; "Lift-Koeffizienten der Tragflächen (CL) und
Rücktrieb (CD) und das Verhältnis zwischen ihnen (CI/CD)"; "dynamische
Leistung des Schifffahrzeugs" wie beispielsweise Stabilität (Rollen, Steigung und
Scheren), Seehaltung, Rücktrieb gegen Geschwindigkeit und Take-Off-
Geschwindigkeit; "Antriebseffizienz" der Triebwerkszelle 300.
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Wie zuvor ist das Ziel des FARECS 310, das Antriebspotential der
Triebwerkszelle 300 zu optimieren durch Optimierung der Handhabungs-Charakteristika des
Schifffahrzeugs wie beispielsweise Steuerbarkeit, Manövrierbarkeit, Sicherheit,
Schnelligkeit und Wartungsfähigkeit. Typischerweise lässt sich FARECS 310
auch mit verschiedenen dynamischen Aspekten des Schifffahrzeugs kombinieren,
einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, des RPM des Triebwerks, des
Bypasses oder Aktivierung eines oder mehrerer Wärmetauscher als ein Teil des
Gaskompressions-Zyklus', die Hebe- und Rücktrieb-Koeffizienten der Tragflügel, der
Trim-Winkel des Schiffskörpers und den dynamischen Belastungen (Kräfte und
Momente), welche auf den Schiffskörper wirken, und daher expandiert werden
können, um so andere Unter-Controller zu inkorporieren, wie beispielsweise den
Controller des Triebwerks und den dynamischen Stabilisierungs-Controller des
Schiffskörpers.
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Mit Bezugnahme auf Fig. 10a und 10b ist eine zweite Ausführungsform einer
Triebwerkszelle mit variabler Geometrie gezeigt, welche im Allgemeinen mit 500
bezeichnet ist, gezeigt, welche konstruiert und betrieben wird gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung. Triebwerkszelle 500 weist eine ähnliche
Konstruktion und Betrieb wie Triebwerkszelle 100 auf, und daher sind gleiche Elemente
gleich nummeriert.
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Triebwerkszelle 500 weist eine ähnliche Konstruktion wie Triebwerkszelle 200
hinsichtlich der Tatsache auf, dass sie einen Zentralkörper 576 aufweist, welcher
einen Brausenkopf 578 und Arme 580 aufweist. Jedoch demonstriert
Triebwerkszelle 500 eine weitaus überlegenere Leistungsentfaltung über Triebwerkszelle 200
dank des Einlaufs 404, welcher eine variable Geometrie aufweist, eines FARECS
510, welches mit FARECS 310 vergleichbar ist und einer Lenkfähigkeit, welche
durch Strahlablenk-Vorrichtung 590 vorgesehen wird, was keine äußeren
beweglichen Teile erfordert, wie beispielsweise bei lenkbaren hydraulischen Zellen
verwendet.
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Die variable Geometrie des Einlaufs 504 wird durch einen konusförmigen
Zentralkörper 598 erreicht, welcher gemeinhin im Stand der Technik als "Maus"
bekannt ist, welcher teleskopartig auf dem Zentralkörper 576 montiert ist. Maus 598
kann verlängert und zurückgezogen werden entlang der Achse der
Triebwerkszelle 500 durch einen Aktuator 599 unter der Steuerung des FARECS 510.
Aktuator 599 kann ein hydraulischer Aktuator, ein pneumatischer Aktuator, ein
elektro-mechanischer Aktuator, und dergleichen sein. Fig. 10a zeigt Maus 598 in
ihrem vollständig ausgefahrenen Modus, so dass der Querschnittsbereich des
Einlaufs 504 minimiert ist, während Fig. 10b Maus 598 in ihrem vollständig
zurückgezogenen Modus zeigt, so dass der Querschnittsbereich des Einlasses 504
maximiert ist. Die Versetzung von Maus 598 kann kontinuierlich von vollständig
ausgefahrenem Modus zu ihrem vollständig zurückgezogenen Modus und
umgekehrt variiert werden.
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Alternativ kann Maus 598 selektiv deformiert werden, so dass sie ihr
Aspektverhältnis variieren kann, um sowohl den Querschnittsbereich des Einlauf-
Durchlasses 514 als auch die Rate an Änderung des Querschnittsbereichs von
Diffuser 516 zu regulieren. Eine Deformation der Maus 598 kann erreicht werden
durch entweder pneumatische, hydraulische oder elektromechanische Mittel.
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Eine Strahlablenkungsvorrichtung 590 enthält eine Reihe von Injektoren 592,
welche um Düse 508 herum angeordnet sind zum Ablenken der Richtung des
Zweiphasenstrahls, während er von Triebwerkszelle 500 ausgegeben wird und
Ventile 594 in Leitungen 596 beinhalten, welche sich zwischen Berührungs- und
Regulierungskammer 530 und Injektoren 592 erstrecken. Eine Lenkeinrichtung
590 wird von FARCES 510 gesteuert, welcher Ventile 594 reguliert, und
typischerweise vier Injektoren 592 enthält, so dass Triebwerkszelle 500 gelenkt
werden kann, und das Schifffahrzeug getrimmt werden kann. Es sei angemerkt, dass
Strahlablenkungsvorrichtung 590 auch in Zweiphasen-Staustrahl-
Triebwerkszellen mit fester Geometrie eingesetzt werden, z.B. Triebwerkszellen
100 und 200.
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Mit Bezug nun auf Fig. 11a bis 11d wird eine dritte Ausführungsform einer
Triebwerkszelle mit variabler Geometrie, welche im Allgemeinen mit 600
bezeichnet wird, gezeigt, welche gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung
konstruiert und betrieben wird. Triebwerkszelle 600 weist eine ähnliche
Konstruktion und Betrieb wie Triebwerkszelle 100 auf, und daher sind gleiche
Elemente gleich nummeriert, während zusätzliche Elemente nummeriert sind,
beginnend mit 700.
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Triebwerkszellen 600 sind typischerweise in einem Tragflügel 700 eines
Tragflügelbootes, Foilcat-Bootes oder SES-Bootes integriert, welches mü zumindest
einem Tragflügel ausgestattet ist. Tragflügel 700 enthält Seitenwände 702 und 704,
eine obere Oberfläche 706, eine untere Oberfläche 708 und ist mit dem
Schiffskörper des Wasserfahrzeugs über eine vertikale Strebe 710 verbunden, durch
welche alle Steuerkabel zu FARECS 610, Druckgasleitungen von Druckgas-
Generator 622, etc. hindurchführen. Tragflügel 700 enthält typischerweise eine
Reihe von Triebwerkszellen 600, in diesem Fall sechs Triebwerkszellen, welche
mit 600a bis 600f bezeichnet sind. Die Konstruktion und Betrieb von
Verbrennungseinheiten 600a bis 600f wird nun mit Bezug auf Triebwerkszelle 600a
beschrieben werden.
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Mit Bezug nun auf Fig. 11b bis 11d präsentieren Einlauf 604, Mischkammer 606
und Düse 608 der Triebwerkszelle 600a eine im Allgemeinen rechteckige
Strömungsführung. In diesem Fall, im Gegensatz zu den Konfigurationen, welche
oben beschrieben wurden, wird die Triebwerkszelle 600 mit variabler Geometrie
eher durch die Regulierung der Breite der rechteckigen Strömungsführung erreicht
als durch die Regulierung des Durchmessers der zylindrischen Strömungsführung,
wie im folgenden offensichtlich werden wird.
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Der Querschnittsbereich der Einlauf-Stirnwand 614 und der Rate an Änderungen
des Querschnittsbereichs des Diffusers 616 werden durch den Winkel der
Neigung der linken Einlaufwand 712 und den Winkel der Neigung der rechten
Einlaufwand 714 hinsichtlich der Längsachse der Triebwerkszelle 600a reguliert.
Eine linke Einlaufwand 712 weist ein im Allgemeinen U-förmiges Profil auf,
einschließlich einer vorderen Oberfläche 712a, welche einen Abschnitt der
rechteckigen Strömungsführung der Triebwerkszelle 600a bildet und Seitenoberflächen
712b und 712c, welche durch Seitenwand 702 aufgenommen sind. Die rechte
Einlaufwand 714 weist ein im Allgemeinen U-förmiges Profil auf, einschließlich
einer vorderen Oberfläche 714a, welche einen Abschnitt der rechteckigen
Strömungsführung der Triebwerkszelle 600a bildet und Seitenoberflächen 712b und
712c, welche in Seitenoberflächen 716b und 716c einer linken Einlaufwand 716
der Triebwerkszelle 600b aufgenommen sind. Seitenoberflächen der
Einlaufwände 712, 714 und 716 sind vorgesehen zum Präsentieren einer im Allgemeinen
kontinuierlichen hydrodynamischen Öffnung für einen hereinlaufenden
Wasserfluss.
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Die Verschiebung der linken Einlaufwand 712 wird durch einen kinematischen
Einlaufmechanismus durchgeführt, welcher im Allgemeinen mit 718 bezeichnet
ist, während die Verschiebung der rechten Einlaufwand 714 durch einen
kinematischen Einlaufmechanismus durchgeführt wird, welcher im Allgemeinen mit 720
bezeichnet ist. Wie erkannt werden kann, führt vorzugsweise ein kinematischer
Einlaufmechanismus 720 auch die Verschiebung der linken Einlaufwand 716 in
solch einer Anordnung durch, dass Einlaufwände 714 und 716 sich in Einklang
bewegen. Ein Einlauf-Ablenkmechanismus 718 ist innerhalb eines Volumens
702a eingesetzt, welches durch Seitenwand 702 vorgesehen ist, während ein
EinlauAblenk-Mechanismus 720 innerhalb eines Volumens eingesetzt ist, welches
zwischen einer rechten Einlaufwand 714 und linken Einlaufwand 716 definiert ist.
Beide kinematischen Einlaufmechanismen 718 und 720 werden von FARECS 610
gesteuert.
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Der kinematische Einlaufmechanismus 718 enthält ein Paar von schwenkbar
montierten Aktuatoren 722 und 724 zum Bestimmen des Winkels der Neigung der
vorderen Oberfläche 712a der Einlaufwand 712 und einen schwenkbar montierten
Aktuator 726 zum Drücken einer Seitenoberfläche 712b gegen Seitenwand 702.
Der kinematische Einlaufmechanismus 720 enthält einen vorderen Aktuator 728,
welcher Arme 728a und 728b aufweist, welche in Richtung des vorderen Teils der
vorderen Oberfläche 714a bzw. 716a verbunden sind und einen hinteren Aktuator
730, welcher Arme 730a und 730b aufweist, welche in Richtung des hinteren
Teils der vorderen Oberflächen 714a bzw. 716a verbunden sind. Der Grad an
Betätigung eines jeden der Aktuatoren 728 und 730 bestimmt die Neigung der
vorderen Oberflächen 714a und 716a.
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Nun auf Mischkammer 606 eingehend, ist der Querschnittsbereich der
Mischkammer 606 größer als der Querschnittsbereich des Einlaufs 604, so dass der
Fluss von Wasser durch Triebwerkszelle 600 plötzlich expandiert wird, wodurch
ermöglicht wird, dass eine größere Menge an Druckgas hinein injiziert wird. Ein
Überschall-Gasinjektor 632 ist typischerweise als oberer und unterer Reihen 732a
und 732b von konvergierenden-divergierenden Düsen eingesetzt, welche
zwischen Regulierungskammer 630 und Mischkammern 606 eingesetzt sind, zur
schrägen Injektion von Druckgas in Richtung der Achse der Mischkammern 606,
während ein Unterschall-Gasinjektor 634 vorzugsweise in der Form von oberen
und unteren multi-modalen perforierten Platten 734a und 734b ist zur Injektion
von Druckgas in Richtung der Achse der Mischkammern 606. Wie zuvor reguliert
FARECS 610 die Gas-Massen-Fließrate, Druck und Temperatur des Druckgases,
welches durch Druckgas-Generator 622 vorgesehen wird und die Verteilung von
Druckgas zwischen Überschall-Gasinjektor 632 und Unterschall-Gasinjektor 634
durch die Verwendung von Massen-Fließraten-Controllern 636 bzw. 638.
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In ähnlicher Weise wie Einlauf 604 wird die innere Geometrie der Düse 608
durch die Neigung der linken Durchlaufwand 736 und einer rechten
Durchlaufwand 738 bestimmt zur Regulierung des Querschnittsbereichs des Durchlaufs 656
und einer linken Ausgangswand 740 und einer rechten Ausgangswand 742 zum
Regulieren des Querschnittsbereichs des Ausgangs 658. Die Verschiebung der
linken Durchlaufwand 736 und der linken Ausgangswand 740 wird durch einen
kinematischen Düsenmechanismus durchgeführt, welcher im Allgemeinen mit
744 bezeichnet ist, während die Durchlaufwand 738 und die Verschiebung der
rechten Ausgangswand 742 durch einen kinematischen Durchlauf-Mechanismus
durchgeführt wird, welcher im Allgemeinen mit 746 bezeichnet ist. Wie gesehen
werden kann, führt ein kinematischer Düsenmechanismus 746 vorzugsweise auch
die Verschiebung der linken Durchlaufwand 748 und der linken Ausgangswand
750 der Triebwerkszelle 600b in solch einer Anordnung aus, dass
Durchlaufwände 738 und 748 und Ausgangswände 742 und 750 sich in Einklang bewegen.
Beide kinematischen Düsenmechanismen 744 und 746 werden von FARECS 610
gesteuert.
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Ein Düsenablenkmechanismus 744 ist innerhalb eines Volumens 702a eingesetzt,
welches durch Seitenwand 702 vorgesehen ist, während
Düsenablenkmechanismus 746 innerhalb eines Volumens eingesetzt ist, welches zwischen einer linken
Durchlaufwand 736 und linken Ausgangswand 740 und rechten Durchlaufwand
738 und rechten Ausgangswand 742 definiert ist. Ein kinematischer
Düsenmechanismus 744 enthält einen schwenkbar montierten Aktuator 752 zum Bestimmen
des Winkels der Neigung der Durchlaufwand 736 hinsichtlich eines Drehpunkts
754 und einen schwenkbar montierten Aktuator 756 zum Bestimmen des Winkels
der Neigung der Ausgangswand 740 hinsichtlich der Durchlaufwand 736. Ein
kinematischer Düsenmechanismus 746 enthält einen vorderen Aktuator 758,
welcher Arme 758a und 758b aufweist, welche in Richtung des vorderen Teils der
Durchlaufwände 738 bzw. 748 verbunden sind, und einen hinteren Aktuator 760,
welcher Arme 760a und 760b aufweist, welche in Richtung des hinteren Teils der
Ausgangswände 742 bzw. 750 verbunden sind. Der Grad an Betätigung der
Aktuatoren 758 bestimmt die Neigung der Durchlaufwände 738 und 748, während
der Grad an Betätigung der Aktuatoren 760 die Neigung der Ausgangswände 742
und 750 bestimmt.
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Da Triebwerkszelle 600 nicht nur selbst als hebende Oberfläche des
Wasserfahrzeugs dient sondern auch keinen Rücktrieb hinzufügt, reduziert sie somit
dramatisch den Rücktrieb des Wasserfahrzeugs bei hohen Geschwindigkeiten oberhalb
von ungefähr 30 Knoten. Die Verwendung einer Stahlablenkung erlaubt es, dass
der Trimm-Winkel des Wasserfahrzeugs und der hydrodynamische Lift und
Rücktrieb der Tragflügel gleichzeitig gesteuert werden können, so dass das
FARECS in die dynamische Stabilisierungssteuerung des Wasserfahrzeugs
integriert werden kann (Rollen, Steigung und Kursabweichung).
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Wenn ein Wasserfahrzeug mit verschiedenen Triebwerkszellen dieses Typs
ausgestattet ist, wie beispielsweise eine Tragflügelboot-Konfiguration, resultiert eine
Kombination von vorwärts abgelenkten Schubkommandos an einige der Einheiten
mit einem Schubumkehrkommando an andere Einheiten in einer rein lateralen
Translations-Bewegung. Eine andere Kombination von Vorwärts- und
Rückwärtskommandos resultiert in einer rein Rotations-translatorischen Bewegung.
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In Tragflügelbooten bildet die Fähigkeit, den Schubstrahl vertikal abzulenken,
eine Super-Zirkulation über den Tragflügeln, wodurch eine Regulierung über den
Rücktrieb gegen Geschwindigkeits-Charakteristika des Wasserfahrzeugs
vorgesehen wird. Eine Super-Zirkulation enthält Änderungen im hydrodynamischen Lift,
Rücktrieb und Momenten, welche auf die Tragflügel aufgeübt werden, und durch
sie auf das gesamte Schiff, so dass im Ergebnis der Trimm-Winkel des
Wasserfahrzeugs sich in einer steuerbaren Weise ändert. Eine Steuerung über den
Rücktrieb gegen Geschwindigkeits-Charakteristika bedeutet, dass die Antriebseffizienz
und die Wirtschaftlichkeit des Wasserfahrzeugs deutlich verbessert werden kann
durch Minimieren des Rücktriebs zu jeder gegebenen Reisegeschwindigkeit oder
alternativ, dass der Halteabstand des Wasserfahrzeugs minimiert werden kann
durch Maximieren des Rücktriebs zu jeder gegebenen Reisegeschwindigkeit.
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Weiterhin bilden die Fähigkeit, den hydrodynamischen Lift der Tragflügel, den
Rücktrieb und die Momente der Tragflügel zu steuern und die laterale Verteilung
dieser Parameter entlang der Tragflügel einen Effekt von beweglichen Tragflügeln
mit einer variablen Krümmung, ähnlich zu Fischflossen, stellen eine Steuerung
der dynamischen Stabilität des Wasserfahrzeugs sicher, wodurch Sicherheit,
Beweglichkeit, Effizienz und Manövrierbarkeit verbessert werden. Eine solche
beispiellose Flexibilität ermöglicht ein Beruhigen und Glätten der Fahrt sogar in
einer tauen See bis zu Einschränkungen, welche von der Struktur und dem
geometrischen Design des Schifffahrzeugs herrühren. Infolgedessen werden höhere
kommerzielle Reisegeschwindigkeiten verfügbar und möglich gemacht, ohne
jeglichen Kompromiss im Komfort oder der Sicherheit der Passagiere, ungeachtet
der Wetterbedingungen.
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Insgesamt ermöglichen die Triebwerkszellen, welche durch die vorliegende
Erfindung gelehrt werden; hocheffiziente Hochleistungs-Wasserfahrzeuge, welche
jegliche existierenden Wasserfahrzeuge verdrängen, nicht nur hinsichtlich von
direkter Leistung wie beispielsweise Geschwindigkeit, Seehaltung und Manövrierbarkeit,
aber auch hinsichtlich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Ergonomie,
Benutzerfreundlichkeit und Wartungsfähigkeit.
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Während die Erfindung hinsichtlich einer beschränkten Anzahl von
Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei angemerkt, dass viele Variationen,
Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung durchgeführt werden können.