EP0460144B1

EP0460144B1 - Verfahren zum betrieb eines wasserstrahlantriebs für wasserfahrzeuge und anordnung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP0460144B1
Application number: EP91900165A
Authority: EP
Inventors: Josef Merz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1994-03-23
Anticipated expiration: 2010-12-12
Also published as: DE59005129D1; DE4033674A1; DE4033674C2; EP0460144A1; WO1991009773A1

Abstract

Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge mit einer über einstellbare Steuerklappen (20, 21) in ihrem wirksamen Querschnitt in Abhängigkeit vom Verhältnis Wasserdurchsatz zu Pumpendrehzahl = konstant und in der wirksamen Strahlrichtung veränderbaren Düse (D), deren wirksamer Düsenquerschnitt über zwei voneinander unabhängig verstellbar gelagerte Klappen (20, 21) veränderbar ist, wobei die eine Steuerklappe (20) kreisbogenförmig ausgebildet und unmittelbar um ein im Düsenkörper (19) angebrachtes Lager (25') schwenkbar angeordnet ist und die zweite Klappe (21) gerade ausgebildet und in ihrer Lage mittels zwei an beiden Enden gelagerten und voneinander unabhängigen Verstelleinrichtungen (26, 33) derart verstellt werden kann, daß sie sowohl an ihrem vorderen Ende zum Düsenkörper oder am hinteren Ende zu der Unterkante der kreisbogenförmigen Klappe oder auf beiden Enden einen Spalt für den austretenden Wasserstrahl freigeben kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wasserstrahlantriebs für Wasserfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Alle bekannten Wasser als Vortriebsmittel verwendenden Vortriebseinrichtungen für Wasserfahrzeuge, also sowohl Schiffspropeller unterschiedlicher Geometrie als auch sogenannte Wasserstrahlantriebe können bekanntlich nicht größeren Geschwindigkeitsbereichen so angepaßt werden, ohne daß sich dabei nachteilige Auswirkungen auf den Wirkungsgrad ergeben. Auch Verstellpropeller haben nur einen beschränkten Arbeitsbereich, wobei nur bei einer Propellerflügelstellung und einem Propellerdrehzahl/Fortschrittsgrad-Verhältnis der beste Wirkungsgrad über die gesamte Propellerflügelerstreckung erreicht werden kann.
Gegenüber einem Schiffspropeller, der eine sich mit der Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges ändernde, sonst aber nicht beeinflußbare Zuströmgeschwindigkeit verarbeiten muß, hat ein Wasserstrahlantrieb den Vorteil, daß für die das Wasser beschleunigende Pumpe eine in allen Fahrbereichen und allen Pumpendrehzahlen optimale Anströmung der Pumpen-Schaufelprofile und damit Betriebspunkte bester Wirkungsgrade erzielt werden kann, wenn die durchsatzbestimmende Düse des Wasserstrahlantriebes so ausgebildet wird, daß sich deren wirksamer Austritts-Querschnitt während des Betriebes verändern läßt.
Hierzu ist es bekannt, den Austrittsquerschnitt einer zylindrischen Düse mittels eines einstellbaren, sich der Kontur anpassenden flexiblen Bauteiles, zu verändern.
Hierbei wird von einer bezüglich des Düsenwirkungsgrades optimalen Düsenaustrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahles, einer sich mit der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs ändernden Anströmgeschwindigkeit der Pumpe und von einem sich damit in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit veränderndem Durchsatzes ausgegangen; vgl. GB-PS 1 063 945.
Eine andere Lösung sieht vor, die Steuerklappen eines Wasserstrahlantriebes um je eine senkrechte Achse gegensinnig schwenkbar zu lagern, die der Strahlaustrittsöffnung einer Radialpumpe nachgeschaltet sind, wobei durch die Steuerklappen der Düsenquerschnitt gemäß der Gleichung

verändert werden soll, wobei
A = Düsenquerschnitt (in square inches) und
H = Leistung der Antriebsmaschine (in horse power) ist; vgl. US-PS 3 055 175.
Dieser mathematische Ansatz führt jedoch zu unbrauchbaren Regelbedingungen, da - wie sich zeigen läßt - über die Antriebsleistung nicht ein bestimmter Punkt im Pumpenkennfeld beschrieben ist, sondern eine Kurve unterschiedlicher Durchsatzmengen und damit auch unterschiedlicher Düsenquerschnitte.
Eine zweite Forderung bei wasserstrahlbetriebenen Wasserfahrzeugen bezieht sich auf die Möglichkeit zu Trimmen, was grundsätzlich durch eine vertikale Umlenkung des Treibstrahles erzielbar ist. Für die optimale Fahrweise eines Wasserfahrzeuges bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und damit in Längsrichtung unterschiedlichen Auftriebsschwerpunkten des Wasserfahrzeuges ist - wie die Erfahrung gezeigt hat - die als Trimmung bekannte Veränderung der Vertikalkomponente des erzeugten Schubes vorteilhafter als eine Trimmung durch einen zusätzlichen Widerstand erzeugende Trimmklappen.
Bei sogenannten Außenbordern und Z-Drives wird dies durch Veränderung des Winkels der Propellerachse zum Wasserfahrzeug erzielt. Diese Anstellwinkeländerung ergibt jedoch eine unterschiedliche Schräganströmung der Propellerflügel und somit die daraus folgenden bekannten Nachteile.
Bei Wasserstrahlantrieben ist es hierzu bekannt, dem Austrittsende des Wasserstrahlantriebs als Zylindermantelabschnitte ausgebildete von sektorenförmigen Wangen gehaltene Steuerklappen zuzuordnen, die in einem Gehäuse, das mittels Traversen durchsetzende Lagerschrauben am Pumpengehäuse um eine senkrechte Achse schwenkbar gelagert ist, um je eine waagerecht liegende Achse gegensinnig schwenkbar zu lagern; vgl. DE-OS 26 44 743.
Auch ist es bekannt, der Steuereinrichtung eines solchen Wasserstrahlantriebs eine Düse mit Steuerklappen mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt zuzuordnen, die im Bereich der Strahlaustrittsöffnung der Düse zwei gleichsinnig kreisbogenförmige Steuerklappen unterschiedlicher Radien besitzt; vgl. DE-OS 37 00 530.8.
Alle diese Steuerungen haben die Eigenart, daß entweder eine nur nach einer vertikalen Richtung mögliche Strahlablenkung mit einer damit gekoppelten gleichzeitigen und nicht gesondert beeinflußbaren Verminderung der Düsenaustrittsfläche oder aber eine vertikalte Strahlablenkung nach oben und unten ohne Veränderung des Düsenquerschnittes möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens für eine manuelle oder automatische Regelung des Düsenaustrittsquerschnittes unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit und der als deren Folge am Düsenaustrittsquerschnitt anstehenden unterschiedlichen Drücke anzugeben, das einen Betrieb der das Wasser beschleunigenden Pumpe im Bereich der optimalen Wirkungsgrade im gesamten Betriebsbereich gewährleistet und durch eine gesteuerte vertikale Ablenkung des Treibstrahles auch eine Trimmung des Wasserfahrzeuges gestattet, wobei ferner eine weitgehende Schubumkehr für die Rückwärtsfahrt und für den Bremsvorgang ermöglicht wird, und daß die Anordnung auch im Schleppbetrieb, also bei ausgefallener Antriebseinrichtung - Antriebsmotor und/oder Pumpe - noch einen brauchbaren Steuerdruck erzeugen soll.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und für die Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 9 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein optimaler Betrieb hinsichtlich Schub und Wirkungsgrad des Wasserstrahlantriebes in allen Betriebsbereichen bezüglich Drehzahlen und Fahrgeschwindigkeiten erreicht, da über den veränderbaren wirksamen Düsenquerschnitt "Fw" unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit "w" in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl "n" der zugehörige Wasserdurchsatz "Q" eingeregelt wird. Hierzu werden vorteilhafterweise als Regelsignal eine, dem Durchsatz "Q" proportionale Geschwindigkeit "vx" oder der zugehörige dynamische Druck "pdynx" an einem geeigneten Ort "x" innerhalb des Strömungskanals als Regelkriterium für den einzuregelnden Düsenaustrittsquerschnitt "F" herangezogen, benutzt und $\frac{Q}{n} = \frac{Q*}{n*} = \frac{vx}{n} = \frac{vx*}{n*} = \frac{\sqrt{pdynx}}{n} = \frac{\sqrt{pdynx*}}{n*}$

konstant gehalten, wobei "vx*" die Strömungsgeschwindigkeit und "pdynx*" der zugehörige dynamische Druck "pdyn" an der Meßstelle "x" im Betriebspunkt optimalen Wirkungsgrades bei dem Durchsatz "Q*" und der Auslegungsdrehzahl "n*", und die Geschwindigkeit "vx" beziehungsweise deren dynamischer Druck "pdynx" den Meßwert bei der augenblicklichen Pumpendrehzahl "n" und dem einzuregelnden Durchsatz "Q" bedeuten.
Die Werte "pdynx" und "n" bzw. vx können als Regelsignal entweder einem Rechner und zugehöriger automatischer Regeleinrichtung zugeführt oder in geeigneter Form für eine manuelle Einregelung des Optimums angezeigt werden.
Ebenso erlaubt die Erfindung die Vertikalkomponente des wirksamen Wasserstrahls und damit die Trimmung automatisch durchzuführen, wobei für die hierzu notwendige Betätigung der Klappen die Abweichung vom Sollwert der Neigung des Wasserfahrzeugs um die Querachse bei einem Wasserstrahlantrieb und/oder auch um die Längsachse bei Einsatz von zwei oder mehreren Wasserstrahlantrieben an dem Wasserfahrzeug durch geeignete Sensoren erfaßt und der Regelung in geeigneter Signalform zugeführt werden.
Eine solche Anordnung besitzt entscheidende Vorteile gegenüber der üblichen passiven Steuerung durch Trimmklappen oder durch verstellbare Flügel bei Tragflügelbooten oder ähnlichen Wasserfahrzeugen mit vollgetauchten Tragflügeln oder Auftriebskörpern, die einen zusätzlichen Fahrtwiderstand erzeugen, deren Wirksamkeit stark von der Fahrgeschwindigkeit abhängt und die eine gewünschte Trimmung zum Ausgleich eines durch starken Seegang erzeugten Stampfens oder Gierens wegen der in solchen Fällen nur zulässigen niedrigen Fahrgeschwindigkeit ungenügend oder gar nicht erzielen können.
Die erfindungsgemäße Düse weist einen fertigungstechnisch leicht zu beherrschenden zumindest teilweise rechteckigen Querschnitt auf und erlaubt zur Durchführung des Verfahrens neben einer wirkungsvollen Veränderung des Düsenquerschnittes durch Veränderung der Stellung der beiden Steuerklappen zueinander auch eine durch die gleichzeitige gleichsinnige Verstellung der beiden Klappen mögliche Veränderung der Vertikalkomponente des wirksamen Schubes. Ferner ist durch das mögliche Absenken der vorderen Lagerung der unteren Klappe eine nahezu vollständige Schubumkehr möglich.
Weiter ist durch das erfindungsgemäß mögliche Absenken des vorderen Endes der unteren Klappe eine Bypaßöffnung innerhalb der Düse geschaffen, so daß infolge der auf diese Weise entstehenden Injektorwirkung eine Vergrößerung der beschleunigten Wassermasse mit geringerer Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse entsteht, die besonders bei geringer Wassertiefe in Häfen oder auf Flüssen die Aufwühlung des Grundes vermindert und vorteilhafterweise im Bereich niedriger Geschwindigkeiten zu einer Verbesserung des Strahlwirkungsgrades und des Schubes genutzt wird.
Der auf diese Weise erzeugte wasserführende Bypaß kann zudem auch im Schleppbetrieb als Passivruder benutzt werden und hierbei brauchbare Steuerkräfte erzeugen.
Da das die Düse tragende Bauteil als Gehäuse ausgebildet und um eine senkrechte Achse verschwenkbar gelagert ist, wobei diese Achse gegen die Senkrechte geneigt sein kann, ist eine Kurvenfahrt leicht und sicher durchführbar. Mit dem Gehäuse sind alle Teile der Steuerung, welche die Querschnittsänderung der Düse, die vertikale Schubumlenkung und die Schubumkehr für Rückwärtsfahrt erzeugen, mittelbar oder unmittelbar verbunden, was zu einer einfachen und betriebssicheren sowie leistungsfähigen Ausbildung des Wasserstrahlantriebes führt.
Da dem Gehäuse mindestens zwei Klappen zugeordnet sind, wobei eine als Zylinderschalensegment und die zweite als zweifach gelagerte untere Klappe ausgebildet ist, und ein unveränderbarer Abstand des vorderen Lagers der unteren Klappe zu dem unteren Ende der oberen Klappe durch Laschen oder ähnliche Bauteile sichergestellt wird, kann die obere Klappe am unteren Ende eine entgegengesetzt gewölbte Fläche besitzen, die als obere Begrenzung des Düsenquerschnittes dient. Dies ist sehr vorteilhaft, da durch gleichzeitiges Schließen des Strömungsquerschnittes an der Vorderkante der unteren Steuerklappe im Bereich der Lager und an der Hinterkante zwischen den zugewandten Flächen von unterer und oberer Klappe der Wasserkanal des gesamten Wasserstrahlantriebes von der Austrittseite her verschließbar ist, so daß eine Durchströmung und/oder Beschädigung der inneren Pumpenteile bei Stillstand des Antriebes während der Liegezeiten im Hafen mit Sicherheit vermieden wird.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es zeigen:

Figur 1: ein Pumpenkennfeld mit Linien konstanter Drehzahl, Drossellinien konstanten Düsenquerschnittes und die infolge des im Einlauf zurückgewonnenen Teiles der Geschwindigkeitshöhe sich ergebenden Düsen- und Pumpen-Betriebspunkte,
Figur 2: eine Parallelprojektion einer Steuereinheit für die Düse eines Wasserstrahl-Reaktionsantriebs gemäß der Erfindung,
Figur 3: einen Schnitt durch die schematische Düse nach Figur 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in "geschlossener Stellung für Stillstandzeiten",
Figur 4: einen Schnitt durch die schematische Düse nach Figur 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Langsamfahrt mit horizontaler Umlenkung nach untern zur Verringerung der Aufkimmung",
Figur 5: einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Figur 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Langsamfahrt mit durch Injektorwirkung vergrößerten Wassermenge geringerer Geschwindigkeit" zugleich auch Stellung der Steuerklappen als "Passivruder",
Figur 6: einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Figur 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Schnellfahrt mit verringerter Düsenfläche und horizontaler Umlenkung nach oben = positives Aufkimm-Moment",
Figur 7: einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Figur 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Schnellfahrt mit verringerter Düsenfläche und horizontaler Umlenkung nach unten (negatives "Aufkimm-Moment")
Figur 8: einen Schnitt durch die schematisch dargestellte Düse nach Figur 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in der Stellung "Rückwärtsfahrt und Bremsen"
Figur 9: eine in Parallelprojektion schematisch dargestellte weitere Steuerdüse mit zwei an beiden Enden verstellbaren Klappen in einem um die senkrechte Achse schwenkbaren Düsenkörper in der Stellung für "Langsamfahrt mit negativem Trimmoment"
Figur 10: eine Düse gemäß Figur 9 in der Stellung "Bremsen und Rückwärtsfahrt"
Figur 11: eine Düse gemäß Figur 9 in der Stellung "Langsamfahrt mit durch Injektorwirkung vergrößerten Wassermenge geringerer Geschwindigkeit"
Figur 12: eine in Parallelprojektion schematisch dargestellte weitere Steuerdüse mit zwei an beiden Enden verstellbaren Klappen in einem um die horizontale Achse schwenkbaren Düsenkörper in der Stellung "Fahrt bei geringer Geschwindigkeit in einer Rechtskurve"
Figur 13: eine Düse gemäß Figur 12 in der Stellung "Schnellfahrt mit positivem Trimm entsprechend einem positivem Aufkimmoment"
Figur 14: eine Düse gemäß Figur 12 in der Stellung "Rückwärtsfahrt oder Bremsen" und
Figur 15: ein Regelschema für Wasserstrahlantriebe gemäß der Erfindung.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern seien vorab die theoretischen Zusammenhänge erläutert.
Wie bekannt, verändert sich mit steigender Geschwindigkeit w des Fahrzeuges die durch die Düse des Wasserstrahlantriebes von der Fläche F durchströmende Wassermenge Qw nach: $Qw = F. \sqrt{2g . (Hp + ξ . hw}$

wobei Hp die Pumpenförderhöhe, hw die Geschwindigkeitshöhe des Fahrzeuges: $hw = w² / 2g$

und den ξ Anteil der Geschwindigkeitshöhe bezeichnet, der im Einlauf der Pumpe durch vorteilhafte Ausbildung des Saugmundes und des Diffusors zurückgewonnen werden kann.
In der Figur 1 ist in der üblichen Darstellung eines Pumpenkennfeldes mit der Pumpenförderhöhe H auf der Ordinate 1 und dem Pumpendurchsatz Q auf der Abszisse 2 die Pumpenkennlinie 3 konstanter Drehzahl ohne Geschwindigkeitsrückgewinn (identisch mit der Pumpenkennlinie bei der Fahrgeschwindigkeit w = 0) und die Pumpenkennlinie 4 mit Geschwindigkeitsrückgewinn 9, die Drossellinie 5 für den optimalen Standschub 6 und die Drossellinie 7 für den optimalen Schub 8 bei der Auslegungsgeschwindigkeit w.
Bei Stillstand, also einer Fahrgeschwindigkeit w = 0 entspricht der Pumpenbetriebspunkt 10 zugleich dem Düsenbetriebspunkt. Bleibt der Düsenquerschnitt unverändert, so wandert mit steigender Fahrgeschwindigkeit w geschwindigkeitsbedingt wegen des an der Düse um den Wert 9 = ξ . w²/2g anstehenden höheren Druckes der Betriebspunkt zu dem neuen Düsenbetriebspunkt 11 und folglich zu dem Pumpenbetriebspunkt 12 entsprechend der Charakteristik der Drehzahlkennlinie 3 in ein Gebiet geringerer Pumpenförderhöhen und schlechterer Wirkungsgrade der Pumpe, so daß nun nur der geringere Schub 13 erreicht werden kann.
Aus der Formel (1) und der Figur 1 ist klar ersichtlich, daß mit steigender Fahrgeschwindigkeit "w" und größerem Geschwindigkeitsrückgewinn der die Drossellinie bestimmende Düsenquerschnitt "F" auf die Größe "Fw" verkleinert werden muß, um die Förderhöhen/Durchsatzcharakteristik der Drossellinie 5 zur Drossellinie 7 und den Düsenbetriebspunkt 11 zum Düsenbetriebspunkt 14 zu verlagern, damit der Durchsatz 15 des Wirkungsgradbestpunktes 10 der Drehzahlkennlinie 3 der Pumpe und der höchstmögliche Schub 8 erzielt wird.
Wird dagegen der Düsenquerschnitt "F" für den Höchstschub 8 bei der angestrebten Höchstgeschwindigkeit "w" mit "Fw" ausgeführt, kann nur ein gegenüber dem leistungsbedingten größtmöglichen Standschub 6 geringerer Standschub 17 entsprechend der Drossellinie 7 erreicht werden.
Diese Kriterien gelten natürlich für den gesamten Drehzahlbereich der Pumpe, da für alle Punkte der Parabel 5 durch den Optimalpunkt 10 die gleichen optimalen Strömungsverhältnisse innerhalb der Pumpenbeschaufelung herrschen.
Wird also ein optimaler Betrieb - Schub und Wirkungsgrad - eines Wasserstrahlantriebes in allen Betriebsbereichen - Drehzahlen und Fahrgeschwindigkeiten - angestrebt, muß über den wirksamen Düsenquerschnitt "Fw" unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit "w" stets in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl "n" der zugehörige Wasserdurchsatz "Q" eingeregelt werden. Da $Q = Fa . va = Fx . vx = Fx \sqrt{\frac{2}{ξ} . pdynx}$

ist, kann der dem Durchsatz Q proportionale dynamische Druck pdynx an einer beliebigen Stelle konstanten Querschnittes und konstanter Strömungsrichtung innerhalb der Pumpe bzw. des Strömungskanals gewählt werden.
Wird im gewählten optimalen Kennfeldpunkt 10 ein Durchsatz Q* bei der Drehzahl n* erreicht, ist folglich im Meßquerschnitt Fx eine Strömungsgeschwindigkeit vx* und damit der dynamische Druck pdynx* vorhanden. Somit kann für das Regelkriterium Q*/n* auch vx*/n* oder $\sqrt{pdynx*}$
/n* angesetzt werden.
Damit kann geschrieben werden: $\frac{\sqrt{pdynx*}}{n*} = \frac{\sqrt{pdynx}}{n} = konst$

oder für den einzuregelnden dynamischen Druck $pdynx = \frac{pdynx*}{n*²} . n² = K . n²$
Hierbei bedeutet "pdynx*" den dynamischen Druck im Meßquerschnitt "Fx" im Betriebspunkt (10) optimalen Wirkungsgrades bei der Auslegungsdrehzahl "n*" (3) und dem Durchsatz "Q*", der Druck "pdynx" den Meßwert bei der augenblicklichen Pumpendrehzahl "n".
Nunmehr sei ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung de-s erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figur 2 beschrieben, wobei lediglich die zur Erfindung gehörenden Teile dargestellt sind. Von dem in Vorausrichtung an einem Wasserfahrzeug angeordneten Strömungskanal mit einem eine Ansaugöffnung aufweisenden Einlauf an seinem vorderen Ende, eine dem Einlauf nachgeordnete Pumpe in seinem mittleren Bereich zum Ansaugen und Beschleunigen von Wasser sowie einer Düse an der Strahlaustrittsöffnung an seinem hinteren Ende ist daher lediglich das hintere Ende des Pumpenkörpers 18 gezeigt. Der Pumpenkörper weist einen etwa kreisringförmigen Querschnitt auf und geht stromab in eine durch einen Düsenkörper 19, eine obere Klappe 20 und eine untere Klappe 21 gebildete Düse D über.
Der Düsenkörper 19 ist in der nur teilweise dargestellten Schwenkachse 22 am Pumpenkörper schwenkbar gelagert und durch die nicht näher dargestellte Schwenkeinrichtung 37 im Winkel zur Pumpenachse vertikal verstellbar.
Die Stirnseite 23 des Düsenkörpers 19 ist kreisbogenförmig ausgebildet. Die Unterseite des Düsenkörpers ist offen und durch die untere Klappe 21 verschlossen. Die mittels Lageraugen 27 und 32 beweglich gelagerte Klappe 21 bildet so die untere Begrenzung des Strömungskanals und der Düse. Die untere Klappe 21 weist ferner seitliche Wangen 24 auf, die zur Führung der Klappe 21 im Düsenkörper 19 und zur seitlichen Begrenzung des Wasserstrahles bei Rückwärtsfahrt dienen.
Die obere Klappe 20 ist um eine Schwenkachse 25 in Lageraugen 25' des Düsenkörpers 19 drehbar gelagert und durch eine an einer Lagerung 31 angreifenden und andererseits am Düsenkörper 19 schwenkbar in einem Lagerauge 38 gelagerten Verstelleinrichtung 26 verstellbar. Ferner sind zwei Verstelleinrichtungen 33 zwischen den Lageraugen 32 der unteren Klappe und dem Lagerauge 31 der oberen Klappe 20 vorgesehen.
Die untere Klappe 21 besitzt an ihrem vorderen Ende Lager 27, in denen die aus der angedeuteten Verstelleinrichtung 28, den Winkelhebeln 39 und dem Gestänge 40 bestehende Ausschwenkvorrichtung eingreift, mit der die untere Klappe an diesem Ende abgesenkt werden kann. Auf dem Lager 27 sind Abstandslaschen 29 angeordnet, die mit ihren anderen Enden an der oberen Klappe 20 in den Lagern 30 drehbeweglich angelenkt sind.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende.
Mittels der einerseits an der oberen Klappe 20 an dem als Lagerung dienendem Befestigungsauge 31 und andererseits in den ebenfalls als Lagerung dienenden Befestigungsaugen 32 am hinteren Ende der unteren Klappe 21 gelagerten Betätigungseinrichtungen 33 ist der wirksame Düsenquerschnitt durch Veränderrung des Spaltes 34 zwischen der unteren kreisbogenförmigen Fläche 35 der oberen Klappe 20 und der hinteren Kante 36 der unteren Klappe 21 veränderbar. Bei unveränderter Stellung der Betätigungseinrichtung 33 wird durch die Betätigungseinrichtung 26 die untere Klappe 21 gleichzeitig mit der oberen Klappe 20 verstellt und so mit gleichbleibendem Spalt 34 und somit gleichbleibendem Düsenquerschnitt nur eine vertikale Richtungsänderung des austretenden Wasserstrahles erzeugt. In der Endstellung von 33 wird ein vollständiges Schließen des Spaltes 34 durch unmittelbare Auflage der Fläche 41 der unteren Klappe 21 an der kreisbogenförmigen Fläche 35 der oberen Klappe 20 erzielt. Auf diese Weise kann bei Liegezeiten im Hafen der Düsenquerschnitt und damit der Strömungskanal zumindest einseitig geschlossen werden, so daß eine Verschmutzung weitestgehend vermieden wird.
In den Figuren 3 bis 8 sind die verschiedenen möglichen Stellungen der Steuerklappen 20 und 21 in bezug auf den als Strömungskanal dienenden Düsenkörper 19 und die damit erzeugten Abströmrichtungen des Treibstrahles sowie die Absenkung der Klappe 21 schematisch dargestellt.
In der Figur 5 ist die "Bypaßstellung" der Düse dargestellt, wobei der im Querschnitt 42 strömende Treibstrahl mit der Geschwindigkeit 43 der durch den Bypaßquerschnitt 44 entsprechend der Fahrgeschwindigkeit 45 zuströmende Wassermasse durch Reibung und Mischung eine gegenüber dem Treibstrahl niedrigere mittlere Austrittsgeschwindigkeit 46 im Querschnitt 34 mitteilt und so den Düsenwirkungsgrad im niedrigen Fahrgeschwindigkeitsbereich verbessert.
In den Figuren 9 bis 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer solchen Steuerdüse dargestellt. Der um eine teilweise dargestellte vertikale Schwenkachse 22 im Pumpenkörper 18 schwenkbare Düsenkörper 19 weist zwei parallele Wangen 19 auf, zwischen denen die beiden Klappen 21a und 21b geführt und mittels nicht dargestellter Verstelleinrichtungen in ihrer Lage an den Lageraugen 27a, 27b, 32a und 32b derart verstellbar sind, daß sowohl der Austrittsquerschnitt durch den Abstand 34 der beiden hinteren Kanten 36a, 36b der Klappen 21a, 21b einstellbar ist als auch durch eine gleichzeitige, gleichsinnige Verstellung der beiden Hinterkanten 36a, 36b der Klappen 21a, 21b eine vertikale Ablenkung der wirksamen Strahlrichtung zur Trimmung erzielt werden kann.
Durch Verschließen der Querschnitte im Bereich der Vorderkanten 47a, 47b und des Spaltes 34 zwischen den Kanten 36a, 36b wird eine Durchströmung der Pumpe vorteilhafterweise bei Stillstand und während Liegezeiten im Hafen und damit deren Beschädigung verhindert.
Für den Bremsvorgang oder für die Rückwärtsfahrt wird der Spalt 34 zwischen den hinteren Kanten 36a, 36b der Klappen 21a, 21b geschlossen, die Vorderkante 47a oder 47b oder beide derart verstellt, daß durch den so entstehenden Spalt das von der Pumpe beschleunigte Wasser in fast der Strömungsrichtung in der Pumpe entgegengesetzter Richtung ausströmen kann und so einen der normalen Fahrtrichtung entgegengesetzten Schub erzeugt. Wird dagegen zusatzlich der Spalt 34 geöffnet, entsteht ein als Injektor wirkender Bypaß.
In den Figuren 12 bis 14 ist eine weitere um 90° gedrehte Ausführung der in den Figuren 9 bis 11 dargestellten Steuereinrichtung gezeigt, wobei hier durch die gleichzeitige, gleichsinnige Schwenkung der beiden Klappen 21a, 21b die horizontale Strahlablenkung und damit die Steuerung der Fahrtrichtung und durch das Verschwenken des Düsenkörpers 19 um die horizontale Achse 22 die vertikale Ablenkung des Treibstrahles zur Trimmung erzielt wird.
Aus Figur 15 ist das Zusammenwirken der vorstehend beschriebenen Baugruppen-Anordnung Antrieb-Pumpe-Düse-Regler und Servo zu ersehen, also das Betätigen der beschriebenen Klappen der Düse über einen Regler und einen Servo in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Meßwerte Pumpendrehzahl, dynamischer Druck und/oder Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal, derart, daß der Querschnitt der Düse unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeuges in Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpe und dem zugehörigen Durchsatz an Wasser durch den Strömungskanal auf ein Verhältnis von Wasserdurchsatz zu Pumpendrehzahl = konstant geregelt wird, wobei als Regelgröße der erfaßbare dynamische Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal und die Drehzahl der Pumpe benutzt werden.
Das oben beschriebene Trimmen des Wasserfahrzeuges kann selbstverständlich automatisch mit Hilfe eines Rechners durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Wasserstrahlantriebes für Wasserfahrzeuge, mit einem einen Einlauf, eine Pumpe und einer Austrittsöffnung umfassenden Strömungskanal sowie mit einer der Austrittsöffnung zugeordneten, in ihrem wirksamen Querschnitt veränderbaren und in die wirksame Strahlrichtung steuerbaren Düse, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Düse unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeuges in Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpe und dem zugehörigen Durchsatz an Wasser durch den Strömungskanal auf ein Verhältnis von Wasserdurchsatz zu Pumpendrehzahl = konstant geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsgröße der im Bereiche unveränderlichen Querschnitts und konstanter Strömungsrichtung innerhalb des Strömungskanals erfaßbare dynamische Druck pdyn benutzt und nach der Gleichung $\frac{pdyn}{k. n²} = 1$
geregelt wird, wobei k einen in Abhängigkeit der Pumpen-Charakteristik auf das Optimum des Pumpenwirkungsgrades festgelegte Konstante und n die Pumpendrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsgröße die dem Durchsatz proportionale Geschwindigkeit vx benutzt und das Verhältnis Durchsatz zu Pumpendrehzahl gemäß $\frac{Q}{n} = \frac{Q*}{n*} = \frac{vx}{n} = \frac{vx*}{n*}$
konstant gehalten wird, wobei "vx*" die Strömungsgeschwindigkeit an der Meßstelle "x" im Betriebspunkt optimalen Wirkungsgrades bei dem Durchsatz "Q*" und der Auslegungsdrehzahl "n*", und die Geschwindigkeit "vx" den Meßwert bei der augenblicklichen Pumpendrehzahl "n" und dem einzuregelnden Durchsatz "Q" bedeuten.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Einregeln der Größe des wirksamen Düsenaustrittsquerschnittes durch mindestens zwei voneinander unabhängig verstellbare, der Austrittsöffnung des Strömungskanals zugeordnete Klappen oder Schieber automatisch oder manuell erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung des Durchsatz/Drehzahlverhältnisses die Signale für die Regelgrößen pdynx und Drehzahl durch einen Rechner in die erforderlichen Verstellungen der Steuerklappen bewirkende Stellsignale verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Regelung des Durchsatz/Drehzahlverhältnisses erforderlichen Signale zwecks manueller Steuerung des optimalen Düsenquerschnittes zur Anzeige gebracht werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den wirksamen Düsenaustrittsquerschnitt bestimmenden Klappen oder Schieber zusätzlich für eine vertikale Ablenkung des Treibstrahles zum Trimmen des Wasserfahrzeuges benützt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Betätigen des vertikalen Ablenkens des Treibstrahles zum Trimmen des Fahrzeuges Sensoren zwecks Ermittlung der Lage des Wasserfahrzeuges um seine Quer- und/oder Längsachse verwendet werden, deren Signal zur Anzeige der Abweichung vom Sollwert und/oder zur Bildung von Steuerbefehlen verwendet werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trimmen des Wasserfahrzeuges um seine Quer- und/oder Längsachse automatisch mit Hilfe eines Rechners durchgeführt wird.
Wasserstrahlantrieb zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, mit einem in Vorausrichtung am Wasserfahrzeug angeordneten Strömungskanal mit einem eine Ansaugöffnung aufweisenden Einlauf an seinem vorderen Ende sowie mit einer dem Einlauf nachgeordneten ein- oder mehrstufigen Pumpe im mittleren Bereich des Strömungskanals zum Ansaugen und Beschleunigen von Wasser und mit Einrichtungen zum Verändern des wirksamen Querschnittes einer in die wirksame Strahlrichtung steuerbaren Düse an der Strahlaustrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig verstellbar gelagerte Steuerklappen (20, 21) vorhanden sind, wobei die eine Steuerklappe kreisbogenförmig ausgebildet und unmittelbar um ein im Düsenkörper (19) angebrachtes Lager (25) schwenkbar angeordnet ist, und daß die zweite Steuerklappe gerade ausgebildet und in ihrer Lage mittels zwei an beiden Enden gelagerten und voneinander unabhängigen Verstelleinrichtungen derart verstellbar ist, daß durch sie sowohl an ihrem vorderen Ende zum Düsenkörper hin oder in Bezug auf das hintere Ende zu der Unterkante der kreisbogenförmigen Klappe oder in Bezug auf beide Enden einen Spalt für den austretenden Wasserstrahl freigegeben ist.
Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die vordere Kante (47) der unteren Steuerklappe (21) mittels der Verstelleinrichtung (28) derart absenkbar gelagert ist, daß ein als Injektor wirkendes Bypaß entsteht, durch den aus dem als Treibstrahl dienenden Strom der von der Pumpe geförderten Wassermenge eine zusätzliche Wassermenge von unten angesaugt und beschleunigt wird, derart, daß die die Düse verlassende Wassermenge vergrößert, deren mittlere Geschwindigkeit verkleinert und somit bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten eine Schuberhöhung erzielbar ist.
Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Klappe (21) am vorderen Lager (27) bei geöffnetem Spalt (34) absenkbar derart gelagert ist, daß ein eine Steuerung des Wasserfahrzeuges auch im Schleppbetrieb ermöglichendes Passivruder gebildet ist.
Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Klappe (21) in bezug auf die Vorderkante (47) im Bereich des Lagers (27) und an der Hinterkante (36) zur oberen Klappe (20) der wasserführende Kanal des gesamten Wasserstrahlantriebes von der Austrittsseite her verschließbar derart gelagert ist, daß eine Durchströmung und/oder Beschädigung der inneren Pumpenteile bei Stillstand des Antriebes unterbunden ist.
Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappen (20, 21) gleichzeitig und gleichsinnig (Verstelleinrichtung 26) verstellbar gelagert sind.
Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das die Düse (D) tragende Bauteil als um eine senkrechte Achse (22) schwenkbares Gehäuse (19) ausgebildet ist, dessen Achse (22) senkrecht oder gegen die Senkrechte geneigt ist.
Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gehäuse (19) zugeordnete obere Klappe (20) eine der Form des Austrittsquerschnitts des Gehäuses (19) entsprechend gewölbte Form aufweist und als obere Begrenzung des Düsenquerschnittes dient, daß die untere Klappe (21) eben ausgebildet und zweifach gelagert (27, 32) ist, und daß über eine Verstelleinrichtung (28) die vordere Lagerung (27) der unteren Klappe (21) absenkbar ist.