EP0612657A1 - Wasserstrahlantrieb - Google Patents

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EP0612657A1
EP0612657A1 EP94102485A EP94102485A EP0612657A1 EP 0612657 A1 EP0612657 A1 EP 0612657A1 EP 94102485 A EP94102485 A EP 94102485A EP 94102485 A EP94102485 A EP 94102485A EP 0612657 A1 EP0612657 A1 EP 0612657A1
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EP
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housing
impeller
water jet
water
outlet
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Stefan Dipl.-Ing. Kaul
Stefan Dipl.-Ing. Huth
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Schottel GmbH and Co KG
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Schottel GmbH and Co KG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00—Marine propulsion by water jets
    • B63H11/02—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water
    • B63H11/10—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water having means for deflecting jet or influencing cross-section thereof
    • B63H11/101—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water having means for deflecting jet or influencing cross-section thereof having means for deflecting jet into a propulsive direction substantially parallel to the plane of the pump outlet opening
    • B63H11/102—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water having means for deflecting jet or influencing cross-section thereof having means for deflecting jet into a propulsive direction substantially parallel to the plane of the pump outlet opening the inlet opening and the outlet opening of the pump being substantially coplanar

Definitions

  • the guide device is a fixed blade ring, in which the blades are arranged in such a way that flow energy is largely converted into pressure energy in the blade channels or the guide device.
  • the drive device which is preferably arranged behind the plane of the flat ship floor, sucks in water from the area below the ship floor, the water drawn in is accelerated in the impeller, so that it has a high kinetic energy at the outlet of the impeller, which converts into pressure energy at the outlet from the guide apparatus is, after exiting the diffuser and in the pressure housing has a high pressure energy and this high pressure energy can exit from the pressure housing at any point of the pressure housing and enter outlet nozzles which determine the exit direction of the water jet causing the propulsion of the ship.
  • the advantage of this solution is the free choice for the arrangement of the outlet nozzles, the disadvantage is a relatively complex construction (DE-A-4021340).
  • the object of the present invention is to design a generic drive device such that it is structurally simpler and lighter than the known solution.
  • the essential component groups of the water jet drive according to the invention are the pot-shaped pump housing 1, the semi-axially running blade or flow channels between its blades 2 forming pump impeller 3, the drive 4 of the impeller, the guide device 5 and a lower cover plate 6, in the middle of which the water inlet 7, a central outlet nozzle 8 and two side outlet nozzles 9, 10 are integrated.
  • "Semi-axially bladed” means that the impeller 3 is axially flowed against and the water provided with flow energy leaves the impeller and enters the diffuser at an angle that is less than 90 ° with respect to the impeller axis of rotation.
  • the drive 4 can be conventional, so that its description can be omitted.
  • a relatively wide-meshed inlet grille 11 can be arranged in the inlet 7, which can be relatively wide-meshed because the drive is less sensitive to foreign particles carried in the water than a drive with a bladed guide device due to the lack of a bladed guide device.
  • the diffuser is now an unspeaked ring diffuser with an exit angle to the impeller axis between approximately 160 and 200 °, preferably 180 °.
  • the ring diffuser or diffuser 5 is formed directly on the outside by the housing outer wall 12 and on the inside by the impeller housing 13. It is rotationally symmetrical and has no internals. It ensures a long lead to the outlet nozzles 8, 9 and 10.
  • the cross-sectional shape of the guide apparatus is constant, possibly even decreasing.
  • the inlet is asymmetrical with an end circuit 14 and another end circuit 15 offset from it.
  • the asymmetrical suction geometry is designed in such a way that there is a low-cavitation inlet in the most frequently occurring operating states.
  • the design according to the invention avoids entry losses and ensures low exit losses in the diffuser; friction occurs only on the diffuser walls and not also on the blade walls.
  • the long flow in the diffuser which is oriented toward the outlet nozzles 8 to 10, enables the exact maintenance of a desired flow pattern.
  • the ring diffuser design with both radial and axial direction of action leads to a relatively small housing or well inside diameter. This in turn enables a compact design with a high thrust yield. This results in relatively large flow cross-sections, which also leads to a high thrust yield with a constant housing or well diameter (in relation to known solutions with bladed guide vanes), furthermore a low tendency to cavitation and the risk of contamination with the need for a coarse-meshed intake grille.
  • the asymmetrical inlet causes only a slight tendency towards inlet cavitation, at least in the most frequently occurring operating state.
  • the rotationally symmetrical diffuser without blades, the diffuser formation directly through the housing wall and impeller housing mean a relatively low manufacturing effort and lead to low weight, which is particularly important for large drives.
  • the cross-sectional profile in the diffuser can be optimized, the deflection radii are to be determined in such a way that, despite the lack of guide vanes, a non-detachable flow through the diffuser is ensured.
  • the entire water jet drive can be rotated in a known manner about the longitudinal axis of the impeller 7 in both circumferential directions without restriction or endlessly in order to be able to determine the exit direction of the water jets and thus the direction of propulsion of the driven watercraft.
  • the base plate 6 with the nozzles 8 to 10 and the inlet 7 can be rotated in a corresponding manner with respect to the housing 1, which in this case can be integrated as a load-bearing assembly in the load-bearing ship structure.
  • the outlet nozzles 8 to 10 ensure in all cases that water jets leave the drive at a flat angle, as can be seen in particular in FIG. 3, 4. It is therefore essential in the invention that the diffuser is an unspeaked ring diffuser with an exit angle to the impeller axis between approximately 160 ° and 200 °, preferably 180 °.
  • the known drive device Due to the blade ring formed by the guide vanes, the known drive device (DE-A-4021340) is relatively heavy, which is disadvantageous in particular when the drive device is large in diameter, that is to say in the case of drive devices with high power. It is characteristic here that the guide device with the guide vane ring acts exclusively in the radial direction, as a result of which the vane channels must have a large length, as a result of which the drive device has a relatively large diameter, which, as mentioned, leads to a high weight and can lead to installation problems. in that the drive device takes up space that is lost as usable space.
  • the elimination of the blades compared to the prior art (DE-A-4021340) with the bladed diffuser makes the ring diffuser according to the invention considerably lighter, which is particularly important in large machines.
  • the ringless diffuser according to the invention is designed so that the direction of action is not only radial but also axial. This means that compared to a drive with bladed diffuser with the same thrust yield, the housing becomes smaller and lighter, or a higher thrust is achieved with the same external dimensions and reduced weight.
  • the latter version leads to a reduction in the risk of cavitation and the tendency to contamination due to the then larger flow cross sections.
  • the ring diffuser or diffuser 5 is formed directly on the outside of the outer wall 12 of the housing and on the inside of the impeller housing 13, no separate components are required for their design, which likewise makes an efficient, low-weight water jet drive possible in a compact, simple design.
  • the water jet drive designed according to the invention ensures long guidance to the outlet nozzles 8, 9 and 10.
  • the cross-sectional shape of the guide apparatus can increasingly be such that a further conversion of speed energy into pressure energy is achieved.
  • the cross-sectional profile is preferably constant or even decreasing, so that the kinetic energy of the flow can be used directly.
  • the swirl component that is to say the component pointing in the circumferential direction of the flow emerging from the impeller, is retained more strongly in the non-bladed guide apparatus than is possible with a guide apparatus bladed according to the prior art.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Wasserstrahlantrieb für Schiffe, die zum Einsatz in flachen Gewässern bestimmt sind. Ein halbaxial beschaufeltes Laufrad (3) mit vertikaler Drehachse ist in einem brunnenförmigen Gehäuse (1) drehbar angeordnet. In das Gehäuse ist von oben her durch eine Deckelplatte der Antrieb (4) für das Laufrad (3) eingeführt und unten ist das Gehäuse durch eine Bodenplatte (6) verschlossen, die einen in der Mitte angeordneten Wassereinlaß (7) für die axiale Anströmung des Laufrades (3) und zumindest einen flach geneigten Wasserauslaß (8,9,10) aufweist. Zwischen dem Austrittsende der Förderkanäle des Laufrades (3) und dem zumindest einen Wasserauslaß ist ein Leitapparat (5) angeordnet, in dem das vom Laufrad (3) geförderte Wasser ohne Umsetzung von Strömungsenergie in Druckenergie der zumindest einen Auslaßdüse zugeführt wird. Der Leitapparat bildet einen Ringkanal ohne Beschaufelung. Der Wassereinlaß (7) ist asymmetrisch ausgebildet. Die Bodenplatte mit in sie integriertem Wassereinlaß (7) und dem mindestens einen Wasserauslaß (8-10) ist um die Längsachse des Gehäuses (1) in beiden Umfangsrichtungen endlos drehbar, entweder als Teil des insgesamt drehbaren Gehäuses oder gegenüber dem Gehäuse, das in letzterem Fall Teil der tragenden Schiffskonstruktion sein kann. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wasserstrahlantrieb gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei solchen sogenannten "Topfpumpen" ist der Leitapparat ein feststehender Schaufelkranz, bei dem die Schaufeln so angeordnet sind, daß in den Schaufelkanälen bzw. dem Leitapparat Strömungsenergie weitestgehend in Druckenergie umgesetzt wird. Die vorzugsweise hinter der Ebene des flachen Schiffbodens angeordnete Antriebsvorrichtung saugt Wasser aus dem Bereich unterhalb des Schiffbodens an, das angesaugte Wasser wird im Laufrad beschleunigt, so daß es am Austritt des Laufrades eine hohe kinetische Energie hat, die am Austritt aus dem Leitapparat in Druckenergie umgewandelt ist, nach dem Austritt aus dem Leitapparat und im Druckgehäuse also eine hohe Druckenergie hat und dieser hohen Druckenergie wegen an jeder beliebigen Stelle des Druckgehäuses aus dem Druckgehäuse aus- und in Auslaßdüsen eintreten kann, die die Austrittsrichtung des den Vortrieb des Schiffes bewirkenden Wasserstrahles bestimmen. Der Vorteil dieser Lösung ist die freie Wahl für die Anordnung der Auslaßdüsen, der Nachteil ist einen relativ aufwendige Bauweise (DE-A-4021340).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung einer gattungsgemäßen Antriebseinrichtung derart, daß sie baulich einfacher und leichter als die bekannte Lösung ist.
  • Der Lösung der Aufgabe dient die Ausbildung eines gattungsgemäßen Wasserstrahlantriebs gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1, mit den Merkmalen der Unteransprüche wird der erfindungsgemäße Antrieb in zweckmäßiger Weise weiter ausgebildet.
  • Ein erfindungsgemäßer Wasserstrahlantrieb ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend erläutert. In der Zeichnung zeigen
    • Fig. 1
    eine Ansicht auf die untere Deckplatte des Antriebs,
    Fig. 2
    einen Mittellängsschnitt durch den Antrieb und
    Fig. 3 und Fig. 4
    einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1,2 bzw. IV-IV in Fig. 1.
  • Die wesentlichen Bauteilgruppen des erfindungsgemäßen Wasserstrahlantriebs sind das topfförmige Pumpengehäuse 1, das halbaxial verlaufende Schaufel- bzw. Strömungskanäle zwischen seinen Schaufeln 2 bildende Pumpenlaufrad 3, der Antrieb 4 des Laufrades, der Leitapparat 5 und eine untere Deckplatte 6, in die in der Mitte der Wassereinlaß 7, eine mittlere Auslaßdüse 8 und zwei seitliche Auslaßdüsen 9,10 integriert sind. "Halbaxial beschaufelt" besagt, daß das Laufrad 3 axial angeströmt wird und das mit Strömungsenergie versehene Wasser das Laufrad verläßt und in den Leitapparat eintritt unter einem Winkel, der gegenüber der Laufraddrehachse geringer als 90° ist. Der Antrieb 4 kann konventionell sein, so daß auf seine Beschreibung verzichtet werden kann. Er ist auf einen Deckel des Pumpengehäuses 1 aufgesetzt und ragt in das Pumpengehäuse hinein, um dort mit dem Laufrad 3 drehfest verbunden zu sein. Er kann beispielsweise dem in DE-A-4021340 vorgesehenen Antrieb gleichen. Im Einlaß 7 kann ein relativ weitmaschiges Einlaßgitter 11 angeordnet sein, das deswegen relativ weitmaschig sein kann, weil der Antrieb infolge des Fehlens eines beschaufelten Leitapparates gegenüber im Wasser mitgeführten Fremdpartikeln unempfindlicher ist als ein Antrieb mit einem beschaufelten Leitapparat.
  • Der Leitapparat ist nun erfindungsgemäß ein unbeschaufelter Ringdiffusor mit einem Austrittswinkel zur Laufradachse zwischen etwa 160 und 200°, vorzugsweise 180°. Der Ringdiffusor bzw. Leitapparat 5 wird unmittelbar außen von der Gehäuseaußenwand 12 und innen vom Laufradgehäuse 13 gebildet. Er ist rotationssymmetrisch und weist keine Einbauten auf. Er gewährleistet eine lange Führung zu den Auslaßdüsen 8,9 und 10. Der Querschnittsverlauf des Leitapparates ist konstant, gegebenenfalls sogar abnehmend.
  • Der Einlauf ist asymmetrisch mit einem Endkreis 14 und einem diesem gegenüber versetzten anderen Endkreis 15. Die asymmetrische Ansauggeometrie ist so ausgelegt, daß ein kavitationsarmer Einlauf bei den am häufigsten auftretenden Betriebszuständen gegeben ist.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung vermeidet Eintrittsverluste und gewährleistet geringe Austrittsverluste im Diffusor, Reibung erfolgt nur an den Diffusorwänden und nicht auch an Schaufelwänden. Die lange, zu den Auslaßdüsen 8 bis 10 hin ausgerichtete Strömung im Diffusor ermöglicht die exakte Einhaltung eines gewollten Strömungsverlaufes. Die Ringdiffusorausbildung mit sowohl radialer als auch axialer Wirkrichtung führt zu einem relativ kleinen Gehäuse- bzw. Brunneninnendurchmesser. Dadurch wiederum ist eine kompakte Bauweise bei hoher Schubausbeute möglich. Dadurch ergeben sich weiter relativ große Strömungsquerschnitte, was ebenfalls zu hoher Schubausbeute bei konstantem Gehäuse- bzw. Brunnendurchmesser (in Relation zu bekannten Lösungen mit beschaufeltem Leitapparat), darüber hinaus geringer Kavitationsneigung und Verschmutzungsgefahr mit der Notwendigkeit allenfalls eines grobmaschigen Ansauggitters führt. Der asymmetrische Einlauf bewirkt eine nur geringe Neigung zur Einlaufkavitation zumindest in den am häufigsten auftretenden Betriebszustand. Der rotationssymmetrische Diffusor ohne Schaufeln, die Diffusorbildung unmittelbar durch Gehäusewand und Laufradgehäuse bedeuten einen verhältnismäßig geringen Fertigungsaufwand und führen zu geringem Gewicht, was besonders bei großen Antrieben wichtig ist.
  • Der Querschnittsverlauf im Diffusor ist optimierbar, die Umlenkradien sind so zu bestimmen, daß trotz der fehlenden Leitschaufeln eine ablösungsfreie Durchströmung des Diffusors gewährleistet ist.
  • Der gesamte Wasserstrahlantrieb ist in bekannter Weise um die Längsachse des Laufrades 7 in beiden Umfangsrichtungen uneingeschränkt bzw. endlos drehbar, um die Austrittsrichtung der Wasserstrahlen und damit die Vortriebsrichtung des angetriebenen Wasserfahrzeugs bestimmen zu können. Zum gleichen Zweck kann die Bodenplatte 6 mit den Düsen 8 bis 10 und dem Einlaß 7 in entsprechender Weise gegenüber dem Gehäuse 1 drehbar sein, das in diesem Fall als mittragende Baugruppe in die tragende Schiffskonstruktion integriert sein kann.
  • Die Auslaßdüsen 8 bis 10 gewährleisten in allen Fällen, daß Wasserstrahlen unter einem flachen Winkel den Antrieb verlassen, wie es insbesondere Fig. 3,4 entnehmbar ist. Wesentlich ist also bei der Erfindung, daß der Leitapparat ein unbeschaufelter Ringdiffusor mit einem Austrittswinkel zur Laufradachse zwischen etwa 160° und 200°, vorzugsweise 180° ist.
  • Durch den von den Leitschaufeln gebildeten Schaufelkranz ist die bekannte Antriebseinrichtung (DE-A-4021340) relativ schwer, was insbesondere bei großem Durchmesser der Antriebseinrichtung, also bei Antriebseinrichtungen hoher Leistung, nachteilig ist. Kennzeichnend ist dabei, daß der Leitapparat mit dem Leitschaufelkranz ausschließlich in radialer Richtung wirkt, wodurch die Schaufelkanäle eine große Länge haben müssen, wodurch die Antriebseinrichtung einen relativ großen Durchmesser hat, was, wie erwähnt, zu einem hohen Gewicht führt und zu Einbauproblemen führen kann, indem von der Antriebseinrichtung Platz beansprucht wird, der als Nutzraum verloren geht.
  • Bereits durch den Wegfall der Schaufeln gegenüber dem Stand der Technik (DE-A-4021340) mit dem beschaufelten Leitapparat wird der erfindungsgemäße Ringdiffusor erheblich leichter, was besonders bei großen Maschinen wichtig ist. Der erfindungsgemäß schaufellose Ringdiffusor wird so ausgebildet, daß die Wirkrichtung nicht nur radial, sondern auch axial ist. Das bedeutet, daß gegenüber einem Antrieb mit beschaufeltem Leitapparat bei gleicher Schubausbeute das Gehäuse kleiner und leichter wird bzw. ein höherer Schub bei gleichen Außenabmessungen und reduziertem Gewicht erreicht wird. Letztere Version führt durch die dann größeren Strömungsquerschnitte zu einer Senkung der Kavitationsgefahr und der Verschmutzungsneigung.
  • Dadurch, daß der Ringdiffusor bzw. Leitapparat 5 unmittelbar außen von der Gehäuseaußenwand 12 und innen vom Laufradgehäuse 13 gebildet wird, sind keine gesonderten Bauteile zu ihrer Gestaltung nötig, was ebenfalls einen effizienten Wasserstrahlantrieb geringen Gewichts in kompakter einfacher Bauweise möglich macht. Der erfindungsgemäß ausgebildete Wasserstrahlantrieb gewährleistet eine lange Führung zu den Auslaßdüsen 8,9 und 10. Der Querschnittsverlauf des Leitapparates kann zunehmend sein dergestalt, daß eine weitere Umsetzung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie erreicht wird. Vorzugsweise ist jedoch der Querschnittsverlauf gleichbleibend oder sogar abnehmend, so daß die kinetische Energie der Strömung unmittelbar ausgenutzt werden kann.
  • Im unbeschaufelten Leitapparat bleibt die Drallkomponente, also die in Umfangrichtung weisende Komponente der aus dem Laufrad austretenden Strömung stärker erhalten als es bei einem gemäß dem Stand der Technik beschaufelten Leitapparat möglich ist.

Claims (7)

  1. Wasserstrahlantrieb für Schiffe, die zum Einsatz auch in flachen Gewässern bestimmt sind, wobei ein halbaxial beschaufeltes Laufrad mit vertikaler Drehachse in einem brunnenförmigen Pumpengehäuse drehbar angeordnet ist, in das von oben her durch eine Deckelplatte der Antrieb für das Laufrad eingeführt ist, das unten durch eine Bodenplatte verschlossen ist, die einen in der Mitte angeordneten Wassereinlaß für die axiale Anströmung des Laufrades und zumindest eine flach geneigten Wasserauslaß aufweist, wobei zwischen dem Austrittsende der Förderkanäle des Laufrades und dem zumindest einen Wasserauslaß ein Leitapparat angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat einen zwischen dem Pumpengehäuse (12) und dem Laufradgehäuse (13) konzentrisch zur Laufradachse angeordneten schaufellosen Ringkanal aufweist, in dem die Strömung aus der halbaxialen Richtung beim Verlassen des Laufrades (3) in eine Austrittsströmung gebracht wird, die mit der Anströmrichtung einen Winkel etwa zwischen 160 und 200° einschließt.
  2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsverlauf des Ringkanals konstant oder in Strömungsrichtung abnehmend ist.
  3. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Ringkanals unmittelbar vom Pumpengehäuse (12) bestimmt wird.
  4. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur des Ringkanals unmittelbar vom Laufradgehäuse (13) bestimmt wird.
  5. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal abströmseitig in Auslaßdüsen (8-10) mündet, die in eine Deckplatte (6) des Antriebsgehäuses integriert sind.
  6. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpeneinlauf (7) asymmetrisch und vorzugsweise in der Deckplatte (7) angeordnet ist.
  7. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb in seiner Gesamtheit um die Längsachse bzw. die Drehachse des Laufrades (3) schwenkbar ist.
EP94102485A 1993-02-20 1994-02-18 Wasserstrahlantrieb Expired - Lifetime EP0612657B1 (de)

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EP (1) EP0612657B1 (de)
JP (1) JP3673289B2 (de)
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AT (1) ATE152408T1 (de)
DE (2) DE4305267A1 (de)
DK (1) DK0612657T3 (de)
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