DE7001396U

DE7001396U - Triebwerk fuer betrieb in fluessiger umgebung.

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Publication number: DE7001396U
Application number: DE7001396U
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-01-16
Filing date: 1970-01-16
Publication date: 1970-05-21
Also published as: GB1238995A; ES375490A1; BE744104A; FR2031627A5; CH513741A

Description

patentanWJsilY *-' '. DR. HANS ULRICH MAY

D B MÖNCHEN 2, OTTOSTRASSEIa TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN

TELEFON C0S113 09 36 82

B.3012.3

München, 16.Januar 197O

CG 319/8OÖ Dr.M./mj

Commissariat ä I¹Energie Atomique in Paris / Frankreich

Triebwerk für Betrieb in flüssiger Umgebung

Die Neuerung betrifft ein Triebwerk, das in flüssiger Umgebung arbeitet und als Antriebsmotor einer sich in dieser Umgebung ödet* ^n ihrer Oberfläche fortbewegenden Maschine verwendbar ist.

Die gegenwärtig für Schiffe verwendeten Triebwerke benutzen in ihrer großen Mehrzahl die Schraube als Übertragungsorgan. Die Benutzung der Schraube führt jedoch bei hohen Geschwindigkeiten aus wohlbekannten Gründen zu Schwierigkeiten. Es ist auch bekannt, ein Triebwerk zu verwenden, das dauernd eine Flüssigkeitsmenge an einer in der Verschiebungsrichtung des Schiffes vorne liegenden Stelle aufnimmt, sie durch dynamische Kompression, beispielsweise in einem divergierenden Rohrkörper und/oder durch einen rotierenden Kompressor unter Druck setzt, sie durch Einblasen eines Gases emulgiert und anschließend nach hinten in eine Düse entspannt, wobei die allgemeine Ausbildung des Triebwerks eine gewisse Ähnlichkeit mit der von flugtechnisch benutzten Staustrahltriebwerken besitzt.

Abgesehen von anderen Nachteilen bietet ein solches Triebwerk nur die Wahl zwischen einer geringen Leistung bei geringer Geschwindigkeit und Null im Stillstand (wenn man das Kompressionsorgan als eine einfache konvergierende Düse ausbildet) und der Notwendigkeit einer dauernden und erheblichen Zufuhr äußerer Energie zum Triebwerk, wenn man einen rotierenden Kompressor verwendet.

Die Neuerung bezweckt ein Triebwerk, das die Nachteile der bisherigen Systeme nicht oder nur in sehr geringem Maße aufweist. Zu diesem Zweck wird gemäß der Neuerung ein Triebwerk vorgeschlagen, das einen an seinen beiden Enden offenen Kanal mit variablem. Querschnitt und zur Verschiebungsrichtung paralleler Achse besitzt, der in einer Reihe einen divergierenden Abschnitt, in der eine Flüssigkeitsmenge durch hydrodynamische Kompression unter Druck gesetzt wird, einen Mittelabschnitt, der einen rotierenden Kompressor, eine ein Gas in die so unter Druck gesetzte Flüssigkeit einleitende Emulgiervorrichtung, eine mit dem Kompressor gekuppelte Turbine, welche einen Teil der Entspannungsarbeit der Emulsion absorbiert

enthält, und sie dem Kompressor wieder zuführt/ und einen konvergierenden Abschnitt, in welchem die restliche Druckenergie der Emulsion in Bewegungsenergie umgewandelt wird, aufweist.

Wie ersichtlich kann durch diese Ausbildung die Dauer der äußeren Energiezufuhr zum Kompressor auf die Anlaufdauer und die Geschwind digkeitserhöhung des Kompressors begrenzt und sogar ein Betrieb ohne jeden Antrieb des beweglichen Elements von außen ermöglicht werden, wenn das . Inbewegungsetzen der Maschine nach dem Stillstand in anderer Weise erfolgt, bis eine solche Geschwindigkeit erreicht ist, daß das Triebwerk durch die hydrodynamische Kompression unabhängig arbeitenkann. In diesem Fall besteht die einzige Verbindung mit der äußeren Umgebung des Triebwerks in einer statischen Druck-

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gaszuleitung. Ein solches Triebwerk eignet sich bestens zum Anbau in einer Gondel an einer im übrigen für den Start mit üblichen Antriebsvorrichtungen versehenen Maschine. Man kann auch die drehbaren Teile des Kompressors mit einem Motor geringer Leistung antreiben, der nur während der kurzen Zeitdauer in Betrieb gesetzt wird, welche zwischen dem vollständigen Stillstand des Triebwerks und dem Erreichen einer solchen Geschwindigkeit liegt, daß das Triebwerk autonom arbeitet.

Die Neuerung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte Zeichnung. I" dieser zeigen:

Fig. 1 einen ganz schematischen Längsschnitt durch das Triebwerk in einer durch seine Achse gehenden Ebene;

Fig. 2 einen Schnitt nach II-II der Fig. 1, wobei die Emulgiervorrichtung gezeigt ist.

Das als Beispiel in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Triebwerk 10 soll nur, nachdem es in Bewegung gesetzt ist, unabhängig arbeiten und muß daher an einer Maschine angebracht sein, die mit Einrichtungen versehen ist, wodurch das Triebwerk vom Stillstand auf eine solche Geschwindigkeit gebracht werden kann, daß anschließend ihre Aufgabe vom Triebwerk übernommen wird.

Das Triebwerk 10 besitzt eine Gondel 12 mit zwei durch einen hohlen Profilarm 11 an der (nicht gezeigten) anzutreibenden Maschine befestigten koaxialen Wänden. Die Außenwand 14 ist so profiliert, daß der Widerstand gegenüber der Vorwärtsbewegung in der flüssigen Umgebung 16 auf ein Mindestmaß verringert wird. Die Innenwand 18 begrenzt einen an seinen beiden Enden offenen Kanal mit veränderlichem Querschnitt, dessen Querschnittsveränderungen so festgelegt sind,

daß eine optimale Leistung erzielt wird.

Sinne

Der Kanal besitzt von vorn im der durch den Pfeil F angegebenen Verschiebungsrichtung des Triebwerks nach hinten mehrere Abschnitte mit verschiedenen Aufgaben, die im folgenden nacheinander beschrieben werden.

Der vordere, divergent ausgebildete Abschnitt des Kanals bildet einen Diffusor, der die Tarn, im Milieu 16 aufgenommene Flüssigkeitsmenge bremst und ihren Druck durch hydrodynamische Kompression erhöht. An diesen Diffusor schließt sich ein Abscnnitt mit im wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt an, der den feststehenden Teil eines rotierenden Axialkompressors bildet. Der dargestellte Kompressor ist einstufig und besitzt ein Flügelrad 2O₈ das auf eine Antriebswelle 22 aufgekeilt ist, die sich in Richtung des Pfeils f dreht. Auf dxeses Flügelrad 20 folgt ein Leitwerk 24, das an der Innenwand 18 der Gondel befestigt ist. Dieses Leitwerk 24 begradigt die Strömung der Flüssigkeit und unterdrückt ihre Drehbewegung .

Der folgende Abschnitt des Kanals wird von einer Emulgiervorrichtung 26 eingenommen, die dazu dient, in die Flüssigkeit feine Gasblasen einzuleiten, um eine Emulsion zu erzeugen. Bei der in Fig.1 und 2 gezeigten Ausführungsform besitzt die Emulgiervorrichtung via?Arme 28 (Fig. 2^ die kreuzweise um die Längsachse des Triebwerks angeordnet sind. Jeder der Arme besitzt zahlreiche Bohrungen 30 von geringen Abmessungen, durch die das Gas in die Flüssigkeit eingeblasen wird. Einer der Arme der Emulgiervorrichtung 26 setzt sich

in einem Gaszuleitungsrohr 32 fort, durch das von der Maschine _ner der Emulgiervorrichtung Gas mit einem gerade für das Einblasen ausreichenden Druck zugeführt wird. Dieses Zuleitungsrohr 32 bil-

det die einzige Energieübertragung zwischen der Gondel und der Maschine, sodaß das Abnehmen oder Ansetzen des vollständigen Trieb- \ Werks außerordentlich einfach ist.

Die durch Einblasen mittels der Emulgiervorrichtung 26 erzeugte Emulsion besitzt Eigenschaften, die von denen der eintretenden Flüssigkeit verschieden sind, und insbesondere eine viel höhere Kompressibilität. Diese Emulsion strömt durch den folgenden Abschnitts des Kanals, der von einer einstufigen Turbine eingenommen wird, deren .Schaufelrad 34 auf die Welle 22 aufgekeilt ist, welche ebenfalls das Schaufelrad 20 des Kompressors trägt. Auf die Turbine folgt ein feststehendes Leitwerk 36 von ähnlichem Aufbau wie das Leitwerk 24, das die Stromfäden begradigt und die Drehbewegungen unterdrückt oder mindestens dämpft. Die Welle 22 wird von Lagern getragen, die dafür in der Nabe der Schaufelräder 24 und 36 und im Mittelteil der Emulgiervorrichtung 26 ausgebildet sind. Die Emulsion wird nach teilweiser Entspannung in der Turbine 34 durch Entspannung in einer Düse 38 beschleunigt, welche den Endabschnitt des Kanals bildet und den Druck der Emulsion auf einen Wert nahe bei dem in der Flüssigkeit stromabwärts vom Triebwerk herrschenden Wert bringt. Diese Beschleunigung der Emulsionsmasse liefert den gewünschten Schub, da die Bewegungsmenge der aus der Düse 38 austretenden Emulsion diejenige der in den Diffusor eintretenden Flüssigkeit übersteigt *

Das Längsprofil des Kanals wird offen/sichtlich so festgelegt, daß bei der Geschwindigkeit des gewählten Betriebs eine optimale Leistung erreicht wird. Die Kriterien zur Festlegung dieses Profils sind bekannt und können durch hydrodynamische Versuche an Modellen vervollständigt werden.

- 6 Wie ersichtlich besitzt die Neuerung zahlreiche Vorteile gegenüber den bisherigen Vorrichtungen. Bei der gezeigten Ausführungsform arbeitet das Triebwerk autonom ohne Übertragung von Bewegung von außen her, «sobald die das Triebwerk tragende Maschine eine genügende Geschwindigkeit besitzt, daß die dynamische Kompression im divergierenden Abschnitt 18 und dementsprechend die Drehgeschwindigkeit der beweglichen Teile ausreichen. In diesem Fall eignet sich das Triebwerk bestens zum Einbau in eine Gondel, da keinerlei Übertragung von Bewegung stattfindet. Man kann auch den beweglichen Teil des Triebwerks mit einem Anlaßmotor, beispielsweise einem Elektromotor, versehen, der nur dazu bestimmt ist, die Welle des Kompressors in Drehung und auf die nötige Umdrehungsgeschwindigkeit zu bringen. In diesem Fall wird das Inbewegungsetzen autonom, selbst aus dem Stillstand der Maschine erreicht. Da das Triebwerk gemäß der Neuerung außerjdem Diffusor, dessen Kompressionswirkung bei geringer Geschwindigkeit der Maschine sehr gering ist, einen Kompressor benutzt, kann man damit, im Gegensatz zu den Staustrahltriebweiken, eine befriedigende Leistung selbst bei geringer Geschwindigkeit der Maschine erhalten. Die Anpassungsfähigkeit und Elastizität des Triebwerks ist dadurch sehr verbessert. Im Vergleich mit Schrauben besitzt das Triebwerk gemäß der Neuerung den Vorteil, daß es an einem beliebigen Punkt eines Bootsrumpfes angebracht werden kann, diesem keinerlei Moment überträgt und keinerlei Wellendich-

Die Vorrichtung gemäß der Neuerung kann offensichtlich auf zahlreiche verschiedene Weisen abgewandelt werden: beispielsweise können der Kompressor und die Turbine beide mit gegenläufigen Stufen ausgestattet sein, wobei die entsprechenden Stufen von zwei konzentrischen Wellen getragen werden, wodurch man auf die fest-

- 7 stehenden Leitwerke zum Begradigen der Stromfäden verzichten kann.

Die Neuerung umfaßt selbstverständlich auch alle mechanischen Equivalente der Gesamtheit oder von Teilen der beschriebenen Ausbildungen.

Claims

~ 8 — Schutzansprüche

1. Triebwerk für Betrieb in flüssiger Umgebung, verwendbar als Antriebsmotor einer sich in dieser Umgebung oder an ihrer Oberfläche fortbewegenden Maschine, gekennzeichnet durch einen an seinen beiden Enden offenen Kanal mit veränderlichem Querschnitt und zur Verschiebungsrichtung paralleler Achse, der aufeinander folgend einen divergierenden Abschnitt, in dem eine Flüssigkeitsmenge durch hydrodynamische Kompression unter Druck gesetzt wird, einen Mittelabschnitt, der einen rotierenden Kompressor, eine ein Gas in die so unter Druck gesetzte Flüssigkeit einleitende Emulgiervorrichtung und eine mit dem Kompressor gekoppelte Turbine, welche einen Teil der Entspannungsarbeit der Emulsion absorbiert und sie dem Kompressor zurückliefert, enthält_/und einen konvergierenden Abschnitt, in welchem die restliche Druckenergie der Emulsion in Bewegungsenergie umgewandelt wird, besitzt-r

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine den Kanal begrenzende und an der anzutreibenden Maschine befestigte Gondel besitzt.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gondel eine äußere Wand, deren Profil so ausgebildet ist, daß sie den Verschiebungen in der Flüssigkeit einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt, und eine den Kanal begrenzende Innenwand besitzt.

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor und die Turbine einstufig sind und ihre Schaufelräder auf einer einzigen Welle aufgekeilt sind.

5· Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn-

- 9 zeichnet, daß auf die Schaufelräder des Kompressors und der Tarbine folgend jeweils feste, von der Gondel getragene Lettwerke angeordnet sind.

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle von in der Nabe der festen Leitverke ausgebildet ten Lagern getragen wird.

7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulgiervorrichtung aus Rohrarmen besteht, die kreuzweise um die Längsachse des Kanals angeordnet sind und von denen mindestens einer mit einer Gaszuleitung verbunden ist, durch die Gas unter einem geringfügig höherem Druck als der der auf die Emulgiervorrichtung treffenden Flüssigkeit zugeleitet wird.

8. Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulgiervorrichtung einen Mittelteil besitzt, der ein Lager für die Welle des Kompressors und der Turbine bildet.

9- Triebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gondel des Triebwerks am Bootsrumpf der Maschine durch einen profilierten Arm befestigt ist, der die Gaszuleitung enthält, wobei der Arm und die Zuleitung die einzigen mechanischen Verbindungen zwischen der Gondel und dem Bootsrrunpf bilden.