EP0690806A1 - Wasserstrahlantrieb für wasserfahrzeuge mit steuerelementen zur richtungsänderung des vortrieb liefernden wasserstrahles - Google Patents

Wasserstrahlantrieb für wasserfahrzeuge mit steuerelementen zur richtungsänderung des vortrieb liefernden wasserstrahles

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EP0690806A1
EP0690806A1 EP95906273A EP95906273A EP0690806A1 EP 0690806 A1 EP0690806 A1 EP 0690806A1 EP 95906273 A EP95906273 A EP 95906273A EP 95906273 A EP95906273 A EP 95906273A EP 0690806 A1 EP0690806 A1 EP 0690806A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
water jet
pump
rotor
jet drive
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Gerd Elger
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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
    • B63H11/107—Direction control of propulsive fluid
    • B63H11/113—Pivoted outlet
    • 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
    • B63H11/04—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps
    • B63H11/08—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of rotary type

Definitions

  • Water jet drive for water vehicles with controls for changing the direction of the propulsion water jet
  • the invention relates to a water jet drive for watercraft with a pump and a stator and a nozzle for generating a propelling water jet and with control elements for changing the direction of the water jet.
  • Water jet drives for water vehicles in which the water drawn in and accelerated by a pump and swirled by a stator exits as a directed jet through a nozzle influencing its direction, are widely known.
  • US Pat. No. 4,992,065 shows a water jet drive with a nozzle connected downstream of the stator and pivotably mounted about a vertical axis, the outlet opening of which can be changed via flaps pivotable about a horizontal axis until the direction of the jet is reversed for the purpose of controlled backward travel.
  • control nozzle In order to avoid flow losses, it is also known to construct the control nozzle from concentrically mounted spherical surfaces, which is also complex and requires complicated control and sealing elements; see. DE 26 44 743 AI.
  • control elements at least one axially between one
  • the pump is assigned a mirror-image and identically arranged nozzle upstream and downstream, and the two nozzles are each axially displaceably mounted independently of one another such that when one nozzle, eg. B. in the axial open position, the other nozzle in the direction of the minimum open position and vice versa.
  • the rotor of the pump can be driven both clockwise and counterclockwise via a transfer gear designed as a cardan gear, the gear branches of which can be activated via a sliding clutch, the drive shaft of the transfer gear being the pivot axis lying approximately perpendicular to the axis of rotation of the rotor of the water jet drive.
  • each of the axially displaceable nozzles forms a conical lateral surface, the pitch angle of which corresponds to the pitch of the facing free ends of the blades of the stator and the purpose of the pump housing in the region of the free ends of the blades of the respective stator to support the respective stator Formation of an annular channel located between the nozzle and the housing wall expanded radially outwards.
  • the power transmission between the transfer case and the rotor takes place via ring gears arranged in each case in the stators; see. DE 42 41 724 AI.
  • the design of the water jet drive according to the invention has a number of advantages.
  • the water jet drive according to the invention acts as an active rudder, since it can be used for both forward and reverse travel depending on the direction of rotation of the pump rotor, the rotor blades being designed in such a way that they are most efficient for the forward travel of the Have watercraft, as described and shown for example in GB 1 145 237 for bow thruster.
  • the amount of water supplied to the stator acting as a guide device is regulated on the inlet side by the downstream nozzle, while the nozzle on the pressure side, i.e. upstream, is displaced towards the rotor with increasing speed of the watercraft, and the effect of the ring channel working as an additional nozzle is thus more and more switched off until the nozzle on the pressure side only functions as a thrust nozzle during the cruise.
  • the inlet acts as a thrust nozzle when reversing after the jet has been untwisted by means of the stator, the advantage of the water jet drive acting as an active rudder also being fully retained here.
  • the design of the water jet drive according to the invention is equally suitable for all power units, with the symmetrical design of the axially displaceable nozzles and the associated stators making cost-effective production, simple assembly and maintenance possible
  • the ring channel as an additional nozzle on the respective pressure side, the cross-section is released for a large amount of water when the watercraft starts up, while the flow through the ring channel becomes increasingly smaller due to the narrowing of the water access to the additional nozzle due to the displacement of the nozzle. until it only takes place through the nozzle during the cruise, which must be optimally designed for this operating area.
  • the entire drive unit is pivotally mounted in the floor of the watercraft to be driven, the pivoting being made possible by means of a toothed belt or vertical shaft, a completely continuous control process is achieved when the rotor changes direction of rotation and at the same time the nozzles are moved from drive ahead to drive back.
  • the amount of water to be supplied to the rotor is regulated by the displaceable inlet-side, ie downstream nozzle, assigned to the inlet-side stator - acting as a diffuser.
  • the pressure-side nozzle By moving the pressure-side nozzle, on the other hand, the supply of pressurized water to the ring channel - as already mentioned - is controlled in such a way that optimal amounts of water are enforced both in the approach area and when traveling slowly, so
  • nozzles and the associated stators design the nozzles each cleanly on the pressure side on the conically shaped stator blades and fix them concentrically in their maximum working position and thus keep them streamlined.
  • the simple, symmetrical design of the drive unit ensures thrust of the same size, regardless of the direction of travel forward, backward and / or sideways.
  • the water jet drive according to the invention can be used equally well in large ships, in mega yachts and in sailing boats, with the latter the drive unit being designed to be extendable from the boat hull so that it can be retracted when sailing.
  • the part of the boat floor covering the drive which is known per se, is to be made retractable and extendable in order to obtain a smooth underwater ship for sailing.
  • Another advantage of the design of the water jet drive according to the invention can be seen in the fact that semi-axial pumps can be used in fast gliding boats and sports yachts because of the variable speeds. It is also particularly important there that by axially adjusting the nozzle and thus the partial loading of the ring channel as an additional nozzle, the amounts of water or water speeds required for rapid acceleration at the start, for those coming from the water, at the transition to gliding and when the maximum speed is reached, the nozzle arrangement of the water jet drive according to the invention acts analogously to an adjusting nozzle, without any flap mechanism.
  • the parts used for power transmission can be made compact and double-bearing in a simple manner and assembly is extremely simple since after the moving parts have been plugged in or retracted, which in turn run on bushes which are pressed into the stators, only the housing parts forming the housing are to be connected to one another, so that a simple and robust design of all parts, their rational manufacture and their easy interchangeability are ensured.
  • FIG. 1 shows a section through a first embodiment of a water jet drive according to the invention in the “forward drive” working position
  • Figure 2 is a partially sectioned front view of the water jet drive of Fig. 1 and
  • a water jet drive generally designated by the reference number 10 in FIGS. 1 to 3, comprises in a housing 11 a pump 12 with a rotor 14 rotatably mounted in a hub 13, to which a stator 15 and 16 held by the housing is connected upstream and downstream, whose correspondingly curved stator blades 18 form the rigid connection between the housing 11 and the hub 13 - as shown in particular in FIG. 2.
  • the water jet drive according to the embodiment according to FIGS. 1 and 2 each comprises a cone-shaped nozzle 20 and 21, which is mounted on the housing 11 from a minimal, axially displaceable to a maximum open position, for which purpose hydraulic cylinders 23 and 24, which are arranged in pairs between the housing and nozzle, are used; see. Fig. 2.
  • the angle of inclination £ • of the conical outer surfaces of the nozzles 20 and 21 is chosen such that this corresponds to the angle of inclination ⁇ of the outer edges of the respectively exposed ends 27 and 28 of the stator blades 18 of the stator 15 and 16; see. Fig. 1.
  • the nozzle 20 On the right half of FIG. 1, the nozzle 20 is shown in the minimal open position, in which the inner circumferential surface of the nozzle 20 rests approximately in half and is thereby fixed concentrically and held in a streamlined manner.
  • the nozzle 21 - left half of FIG. 1 - is shown in its maximum open position, in which the stator is completely free of the nozzle; this position corresponds to the view according to FIG. 2.
  • FIGS. 2 and 3 in particular show that an additional annular channel 25 and 26 is formed there, namely between the outer wall of the housing 11 and the outer lateral surface of the respective nozzle 20 or 21.
  • this annular channel serves as an additional nozzle on the pressure side for accelerating the journey from a standing position and on the suction side as a variable inlet of the water jet drive.
  • the drive of the rotor 14 serves, as shown in particular in FIG. 2, in the stators so-called ring gears 30 and 31, which can be driven alternately by means of intermediate gears 33 and 34 via a transfer gear 36 designed as a cardan drive.
  • a sliding clutch 38 is used, which alternately switches the right and left branches of the transfer case to a vertical shaft drive 39, which is connected via a drive shaft 40 to a drive machine, not shown here, of the watercraft, also not shown, via the ring gear 30 or 31 the rotor 14 driven clockwise or counterclockwise depending on the switching position of the sliding clutch 38.
  • the blades of the rotor 14 are designed such that they have the greatest efficiency for the forward movement of the watercraft.
  • the water jet drive described above is mounted on the watercraft, not shown, in a manner known per se around the vertical shaft 39 forming a rotary bearing for the water jet drive, in each case by + - 90 ° in the direction of the double arrow 41.
  • the further exemplary embodiment of the water jet drive 10 ′ shown in FIG. 3 likewise has a pump with a rotor 14 which is rotatably mounted on a hub 13.
  • Two stators 15 and 16 held by the housing 11 are also connected upstream and downstream of the rotor, their
  • the pitch angle cX of the conical surface of the nozzle is selected such that it corresponds to the pitch angle o of the outer edges of the exposed ends 27 of the stator blades of the stator, see FIG. 1.
  • the inlet 53 is formed by the downstream housing part 52 of the housing 11. which is elliptical there.
  • the rotor 14 is driven via ring gears 30 and 31 mounted in the stators, which can be driven alternately by means of intermediate gears and via a transfer gear 36 designed as a cardan gear, as already described in connection with FIG.
  • a sliding clutch 38 is also provided there, which connects the right or left branch of the transfer case to a vertical shaft drive 39, which is in drive connection via a drive shaft 40 with a drive machine, not shown here, of the watercraft 50, which is only shown schematically.
  • the entire water jet drive can be pivoted by + - 90 ° about the vertical shaft 39 forming a rotary bearing for the water jet drive.
  • the axes 51 and 52 of the pump 12 and the downstream stator are not arranged coaxially, but are inclined to one another by an angle [i.
  • the water line is indicated at 54 in FIG.
  • Both nozzles can be adjusted independently of one another with the aid of the hydraulic cylinders 23 and 24 arranged in pairs in such a way that the amount of water entering and leaving the outlet side can be regulated in accordance with the desired driving conditions.
  • Such control devices are known per se and, for the sake of simplicity and since they do not belong to the invention, are neither shown nor described here.
  • the nozzles 20 and 21 can thus be displaced by means of the hydraulic cylinders in such a way that the pressure-side nozzle with the associated stator as the outlet nozzle and the suction-side nozzle with the associated stator, which now acts as a guide device, serve as an inlet for forward travel, while simultaneously reversing the Direction of rotation of the rotor reverses this effect, the amount of water supplied can be regulated by axially shifting the respective inlet-side nozzle.
  • the reversal of forward to reverse travel is done by independently moving the described nozzles while changing the direction of rotation of the rotor of the pump, so that
  • Thrust nozzle with additional ring channel-shaped additional nozzle - new thrust direction Thrust nozzle with additional ring channel-shaped additional nozzle - new thrust direction.
  • the stators upstream or downstream of the rotor of the pump accordingly work accordingly as a guide or stator and vice versa, depending on the direction of thrust of the water jet drive, the amount of water supplied to the rotor with the required pre-twist adjustable by changing the axial position of the nozzle in question is.
  • the ring channel which can be changed by moving the pressure-side nozzle, enables an adjustable cross-sectional change in accordance with the amount of water required for a desired driving speed.
  • the nozzle 20 from the maximum to the minimum open position - z. B. also by means of hydraulic cylinders -, axially shifted, which corresponds to the driving state "full speed ahead".
  • the ring channel 25 is closed, as shown in FIG. 3 above.
  • the nozzle 20 with the ring channel 25 open is used for the inlet and the inlet 53 is used by means of the stator 15 as an outlet nozzle for the reverse travel, the functions of the stator and nozzle are therefore reversed, as above for the exemplary embodiment according to FIGS 2 described.
  • nozzles 20 and 21 rigidly and to assign them to a thrust change slide, not shown here, which is mounted in the above-described ring channels 25 and 26 and consists of two mirror-image-arranged bushes which surround the nozzles from the outside which are rigidly connected to one another via rods and are each conical in accordance with the angles o and c described above
  • ICHTI TES SHEET (RULES ISA / EP Have inner lateral surfaces which correspond to the conical outer lateral surfaces of the nozzles.

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Abstract

Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge, mit einer Pumpe (12) und mit der Pumpe vor- und nachgeschalteten Statoren (15, 16) zur Entdrallung des zulaufenden Wassers und des von der Pumpe erzeugten Wasserstrahles, mit je einer gleichachsig angeordneten, dem jeweiligen Stator (15, 16) zugeordneten Düse (20, 21), die unabhängig voneinander axial verschieblich gelagert sind und mit einem schaltbaren Getriebe (36 bis 40) zum Antrieb der Pumpe im Uhr- oder Gegenuhrzeigersinne zwecks Fahrtrichtungswechsel des Wasserfahrzeuges, wobei der Wasserstrahlantrieb am Wasserfahrzeug etwa senkrecht (Königswelle 30) zur Drehachse des Pumpenrotors um ± 90° schwenkbar gelagert ist.

Description

Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge mit Steuerelementen zur Richtungsänderung des Vortrieb liefernden Wasserstrahles
Die Erfindung betrifft einen Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge mit einer Pumpe und einem Stator und einer Düse zur Erzeugung eines Vortrieb liefernden Wasserstrahles und mit Steuerelementen zu Richtungsänderung des Wasserstrahls.
Wasserstrahlantriebe für Wasserfahrzeuge, bei denen das über eine Pumpe angesaugte und beschleunigte sowie über einen Stator entdrallte Wasser als gerichteter Strahl über einen dessen Richtung beeinflussende Düse austritt, sind vielfach bekannt.
So zeigt beispielsweise die US-PS 4 992 065 einen Wasserstrahlantrieb mit einer dem Stator nachgeschalteten, um eine senkrechte Achse schwenkbar gelagerten Düse, deren Austrittsöffnung über um eine dazu waagerechte Achse schwenkbare Klappen bis zur Strahlrichtungsumkehr zwecks gesteuerter Rückwärtsfahrt veränderbar ist.
Eine solche Ausbildung ist bezüglich der Steuerelemente überaus aufwendig, bringt erhebliche Dichtungsprobleme für den beschleunigten Wasserstrahl mit sich und bedingt insbesondere bei größeren Umlenkwinkeln das Abschneiden eines erheblichen Querschnittsteiles des Wasserstrahles. Durch diese Umlenkverluste wird der Rückwärtsschub derart reduziert, daß es zu Manöverproblemen vor allem bei Passagen mit Strömung und in engen Häfen kommt. Ferner muß auf eine sinnfällige Lenkwirkung geachtet werden, anderenfalls sich eine Umkehr der RichtungsWirkung beim Wechsel von Vorwärts¬ auf Rückwärtsfahrt einstellt, was die Steuerungselemente weiter kompliziert und zu Irrtümern führt.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Einfachere Ausbildungen, z. B. in Form zweier der Äustrittsöffnung nachgeschalteter, jeweils um senkrechte Achsen schwenkbarer Klappen - vgl. GB 1 190 735 - ergeben beim Stand und langsamer Fahrt des Wasserfahrzeuges eine völlig ungenügende Lenkwirkung des Wasserstrahlantriebes.
Um Strömungsverluste zu vermeiden ist es auch bekannt, die der Steuerung dienende Düse aus konzentrisch gelagerten Kugelflächen aufzubauen, was ebenfalls aufwendig ist und komplizierte Steuerung- und Dichtungselemente erfordert; vgl. DE 26 44 743 AI.
Es besteht daher ein erheblicher Bedarf an der Verbesserung solcher Wasserstrahlantriebe für die gesteuerte Vorwärts- und Rückwärtsfahrt eines Wasserfahrzeuges gleich welcher Art.
Ausgehend von den bekannten, als Bugstrahler bezeichneten ummantelten Schiffspropellern, die ein Steuern mit dem Steven eines Wasserfahrzeuges erlauben - vgl. YACHT 17/1993, Seite 28 bis 30 - ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wasserstrahlantrieb zu schaffen, dessen Steuerelemente einfacher als bisher ausgebildet sind und eine wirkungsvollere Steuerung eines mit einem solchen Wasserstrahlantrieb ausgerüsteten Wasserfahrzeuges als bisher ermöglichen.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Steuerelemente mindestens eine axial zwischen einer
Maximal- und einer Minimal - Offenstellung verschieblich gelagerte Düse, ein den Antrieb des Rotors der Pumpe im
Uhrzeiger- oder Gegenzeigersinne ermöglichendes Getriebe und eine das die Düse und die Pumpe tragende Gehäuse
Schwenkbewegungen um mindestens +- 90 ° senkrecht zur
Rotationsachse der Pumpe ermöglichende Drehlagerung umfassen . _ -.
BERICHTIGTES BLATT (REG 91) ISA/EP Hierbei ist nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung der Pumpe stromauf und stromab je eine spiegelbildlich und gleichartig angeordnete Düse zugeordnet und sind beide Düsen unabhängig voneinander axial jeweils derart verschieblich gelagert, daß bei Festlegung der einen Düse, z. B. in die axiale Offenstellung, die andere Düse in Richtung der minimalen Offenstellung und vice versa verschiebbar ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Rotor der Pumpe über ein als Kardangetriebe ausgebildetes Verteilergetriebe, dessen Getriebezweige über eine Schiebekupplung aktivierbar sind, sowohl im Uhrzeiger- als auch im Gegenzeigersinne antreibbar, wobei die Antriebswelle des Verteilergetriebes die etwa senkrecht zur Rotationsachse des Rotors liegende Schwenkachse des Wasserstrahlantriebes bildet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet jede der axial-verschieblichen Düsen eine Kegelmantelfläche, deren Steigunswinkel der Steigung der zugewandten freien Enden der Schaufeln des Stators entspricht und ist das den jeweiligen Stator abstützende Gehäuse der Pumpe im Bereich der freien Enden der Schaufeln des jeweiligen Stators zwecks Bildung eines zwischen Düse und Gehäusewandung befindlichen Ringkanals radial nach außen erweitert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kraftübertragung zwischen dem Verteilergetriebe und dem Rotor über jeweils in den Statoren angeordnete Hohlräder; vgl. DE 42 41 724 AI.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Pumpe lediglich eine axial verschiebbare Düse zugeordnet und schließen die Achsen von Pumpe und Stator einen Winkel /3 ein, dies alles in derartiger Anordnung, daß bei Drehrichtungswechsel des Rotors der Pumpe zwecks Umkehr der Fahrtrichtung von "Vorwärts" auf "Rückwärts" der Einlauf
BERICHTIGTES BLATT.(REGEL 91) ISA/EP des Wasserstrahlantriebes als Austrittsdüse nutzbar ist, während die Düse mit ihrem Ringkanal als Einlauf dient.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Wasserstrahlantriebes weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Ähnlich den bekannten Bugstrahlern wirkt der erfindungsgemäße Wasserstrahlenantrieb als Aktivruder, da er in Abhängigkeit der Drehrichtung des Rotors der Pumpe sowohl für Vorwärts- als auch für Rückwärtsfahrt einsetzbar ist, wobei die Schaufelblätter des Rotors derart ausgelegt sind, daß sie den größten Wirkungsgrad für die Vorwärtsfahrt des Wasserfahrzeuges aufweisen, wie dies beispielsweise in der GB 1 145 237 für Bugstrahlruder beschrieben und dargestellt ist.
über die jeweils stromab liegende Düse wird einlaufseitig die dem als Leitapparat wirkenden Stator zugeführte Wassermenge geregelt, während die druckseitig, also stromauf liegende Düse mit steigender Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges in Richtung zum Rotor verschoben und so die Wirkung des als Zusatzdüse arbeitenden Ringkanals mehr und mehr ausgeschaltet wird bis bei Marschfahrt die druckseitig liegende Düse allein als Schubdüse in Funktion ist.
Da bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung lediglich eine axial verschiebbare Düse vorhanden ist, wirkt bei Rückwärtsfahrt nach Entdrallen des Strahles mittels des Stators, der Einlauf als Schubdüse, wobei auch hier der Vorteil des als Aktivruder wirkenden Wasserstrahlantriebes voll erhalten bleibt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Wasserstrahlantriebes eignet sich für alle Leistungseinheiten gleich gut, wobei durch die symmetrische Ausbildung der axial verschiebbaren Düsen und der zugeordneten Statoren eine kostengünstige Fertigung, eine einfach Montage und Wartung möglich wird
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP wobei auf einfachstem Wege mittels der mit den axial verschieblichen Düsen zusammenwirkenden Statoren möglichen Mengenregelung eine optimale Laufruhe und niedrigster Treibstoffverbrauch erreicht wird, und zwar sowohl für Vorwärts- und Rückwärts- als auch für Manöverfahrt, wobei die für den Standschub, für die Beschleunigung, für Langsam- und Marschfahrt erforderliche Wassermenge jeweils auf einfachste Weise einregelbar ist. Der erfindungsgemäße Wasserstrahlantrieb ist also als Hauptantrieb mit Aktiv- und Heckstrahlruder oder auch als Hilfsantrieb gleich gut einsatzfähig.
Durch die Nutzung des Ringkanals als Zusatzdüse auf der jeweiligen Druckseite wird beim Anfahren des Wasserfahrzeuges der Querschnitt für eine große Wassermenge freigegeben, während bei zunehmender Fahrtaufnahme durch die Verengung des Wasserzutritts zur Zusatzdüse - infolge Verschiebens der Düse - der Durchsatz durch den Ringkanal immer geringer wird, bis er bei Marschfahrt nur noch durch die Düse allein erfolgt, die entsprechend für diesen Betriebsbereich optimal auszulegen ist.
Da die gesamte Antriebseinheit im Boden des anzutreibenden Wasserfahrzeuges schwenkbar gelagert ist, wobei das Schwenken mittels Zahnriemen oder Königswelle ermöglicht wird, gelingt bei Drehrichtungsänderung des Rotors und gleichzeitigem Verschieben der Düsen von Fahrt voraus in Fahrt zurück ein völlig kontinuierlicher Steuerungsverlauf. Hierbei wird durch die dem einlaufseitigen Stator - als Leitapparat wirkend - zugeordnete verschiebliche einlaufseitige, also stromabliegenden Düse die dem Rotor zuzuführende Wassermenge geregelt. Durch das Verschieben der druckseitigen Düse dagegen wird die Zufuhr von Druckwasser zum Ringkanal - wie bereits erwähnt - derart gesteuert, daß sowohl im Anfahrtsbereich als auch bei Langsamfahrt optimale Wassermengen durchgesetzt werden, so
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP daß erwünschte Fahrgeschwindigkeiten schnell erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Düsen und der zugeordneten Statoren die Düsen jeweils druckseitig auf den konisch ausgebildeten Statorschaufeln sauber geführt und in ihrer maximalen Arbeitssstellung konzentrisch fixiert und damit strömungsgünstig gehalten sind. Der einfache symmetrische Aufbau der Antriebseinheit sorgt jeweils für gleichgroßen Schub, unabhängig von der Fahrtrichtung vorwärts, rückwärts und/oder seitwärts.
Der erfindungsgemäße Wasserstrahlantrieb ist sowohl bei Großschiffen, bei MegaJachten als auch bei Segelbooten gleichgut einsetzbar, wobei bei letzteren die Antriebseinheit aus dem Bootsrumpf ausfahrbar auszubilden ist, um sie bei Fahrt unter Segel wieder einziehen zu können. Selbstverständlich ist hier in an sich bekannterweise der den Antrieb abdeckende Teil des Bootsbodens ein- und ausfahrbar zu gestalten, um ein glattes Unterwasserschiff für das Segeln zu erhalten.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wasserstrahlantriebes ist darin zu sehen, daß bei schnellen Gleitbooten und SportJachten dort wegen der variablen Drehzahlen halbaxiale Pumpen zum Einsatz kommen können. Auch dort ist von besonderer Bedeutung, daß durch axiales Verstellen der Düse und somit der partiellen Beausschlagung des Ring- kanals als Zusatzdüse die jeweils benötigten Wassermengen bzw. Wassergeschwindigkeiten für das schnelle Beschleunigen beim Start, für das aus dem Wasser kommen, beim Übergang zum Gleiten und beim Erreichen der maximalen Höchstgeschwindigkeit die Düsenanordnung des erfindungsgemäßen Wasserstrahltriebes analog einer Verstelldüse wirkt, und zwar ohne jedweden Klappenmechanismus.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wasserstrahlantriebes ist darin zu sehen, daß dieser bei Verwendung als Bugstrahlruder kleinste Schaltzeiten für die Umsteuerung von Backbord auf Steuerbord benötigt, da über den Ringkanal dem Rotor auf kürzestem Wege Ruhigwasser zugeführt wird; es kann also unverzüglich ein wirksamer Treibstrahl erzeugt werden, ohne die gesamte Wassermenge zuerst auf Null zu verzögern und dann erst auf den Maximalschub zu beschleunigen.
Durch die symmetrische Ausbildung der sowohl auf der Druck¬ ais auch auf der Saugseite wirkenden Düsen und Leitapparate sind die der Leistungsübertragung dienenden Teile auf einfache Weise kompakt und doppelt lagerbar auszubilden und wird die Montage äußerst einfach, da nach Aufstecken bzw. Einfahren der beweglichen Teile, die ihrerseits auf Büchsen laufen, die in den Statoren eingepresst sind, lediglich die das Gehäuse bildenden Gehäuseteile miteinander zu verbinden sind, so daß eine einfache und robuste Gestaltung aller Teile, deren rationale Fertigung und ihre leichte Austauschbarkeit gesichert sind.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es zeigen
Figur 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wasserstrahlantriebes gemäß der Erfindung in der Arbeitsstellung "Vorwärtsfahrt",
Figur 2 eine teilweise geschnittene Ansicht von vorne auf den Wasserstrahlantrieb nach Fig. 1 und
BERICHTIGTES BLATT (REGEL βf ISA/EP Figur 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines
Wasserstrahlantriebes gemäß der Erfindung mit nur einer axial verschiebar gelagerten Düse.
Ein in den Figuren 1 bis 3 allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichneter Wasserstrahlantrieb umfaßt in einem Gehäuse 11 eine Pumpe 12 mit einem in einer Nabe 13 drehbar gelagerten Rotor 14, dem je ein von dem Gehäuse gehaltener Stator 15 und 16 vor- und nachgeschaltet ist, dessen entsprechend gekrümmte Statorschaufeln 18 die starre Verbindung zwischen dem Gehäuse 11 und der Nabe 13 - wie insbes. Figur 2 zeigt - bilden.
Ferner umfaßt der Wasserstrahlantrieb nach der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 je eine am Gehäuse 11 aus einer minimalen in eine maximale Offenstellung axial verschieblich gelagerte, kegelmantelförmig ausgebildete Düse 20 und 21, wozu jeweils paarweise zwischen Gehäuse und Düse angeordnete Hydraulikzylinder 23 und 24 dienen; vgl. Fig. 2.
Der Steigungswinkel £• der Kegelmantelflächen der Düsen 20 und 21 ist jeweils so gewählt, daß dieser mit dem Steigungswinkel θ der Außenkanten der jeweils freiliegenden Enden 27 und 28 der Statorschaufeln 18 der Stator 15 und 16 übereinstimmten; vgl. Fig. 1. Dort ist auf der rechten Hälfte der Figur 1 die Düse 20 in der minimalen Offenstellung gezeigt, in der diese mit ihrer Innenmantelfläche auf dem Leitapparat etwa hälftig aufliegt und dabei konzentrisch fixiert und strömungsgünstig gehalten ist. Die Düse 21 dagegen - linke Hälfte der Figur 1 - ist in ihrer maximalen Offenstellung gezeigt, in der der Stator völlig frei von der Düse ist; diese Stellung entspricht der Ansicht gemäß Figur 2.
Da das Gehäuse 11 jeweils in Bereiche der vom Rotor 14 abgewandten Seite nach außen radial erweitert ist, wie dies
BERICHTIGTES BLATT (REGÖTsJ ISA/EP insbesondere die Figuren 2 und 3 zeigen, ist dort ein zusätzlicher Ringkanal 25 bzw. 26 gebildet, und zwar zwischen der Außenwandung des Gehäuses 11 und der Außenmantelfläche der jeweiligen Düse 20 bzw. 21. Dieser Ringkanal dient je nach Arbeitslage druckseitig als Zusatzdüse für die Fahrtbeεchleunigung aus dem Stand und saugseitig als veränderbarer Einlauf des Wasserstrahlantriebes.
Dem Antrieb des Rotors 14 dienen, wie insbesondere Figur 2 zeigt, in den Statoren gelagerte sogenannte Hohlräder 30 und 31, die mittels Zwischenräder 33 und 34 über ein als Kardangetriebe ausgebildetes Verteilergetriebe 36 wechselweise antreibbar sind. Hierzu dient eine Schiebekupplung 38, die wechselweise den rechten und den linken Zweig des Verteilergetriebes an einen Königswellenantrieb 39 schaltet, der über eine Antriebswelle 40 mit einer hier nicht dargestellten Antriebsmaschine des ebenfalls nicht dargestellten Wasserfahrzeuges in Antriebsverbindung steht, über das Hohlrad 30 bzw. 31 wird der Rotor 14 im Uhrzeiger- bzw. im Gegenuhrzeigersinne je nach Schaltstellung der Schiebekupplung 38, angetrieben. Die Schaufelblätter des Rotors 14 sind derart ausgelegt, daß sie den größten Wirkungsgrad für die Vorwärtsfahrt des Wasserfahrzeuges aufweisen.
Der vorstehend beschriebene Wasserstrahlantrieb ist in an sich bekannter Weise um die eine Drehlagerung für den Wasserstrahlantrieb bildende Königswelle 39 um jeweils +- 90° in Richtung des Doppelpfeiles 41 schwenkbar am nicht dargestellten Wasserfahrzeug gelagert.
Das in Figur 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel des Wasserstrahlantriebes 10' besitzt ebenfalls eine Pumpe mit einem Rotor 14, der auf einer Nabe 13 drehbar gelagert ist. Dem Rotor sind ebenfalls zwei von dem Gehäuse 11 gehaltene Statoren 15 und 16 vor- und nachgeschaltet, deren
BEBCHTIGTESftÄTT(REGEL91) ISA/EP entsprechend gekrümmte Statorschaufeln 18 die starre Verbindung zwischen dem Gehäuse 11 und der Nabe 13 bilden.
Unterschiedlich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 ist dort lediglich eine axialverschiebbar gelagerte Düse 20 vorgesehen, die im oberen Teil der Figur 3 in ihrer minimalen und im unteren Teil der Figur 3 in ihrer maximalen Offenstellung mit dem dann wirksamen Ringkananl 25 gezeigt ist. Auch dort ist der Steigungswinkel cX der Kegelmantelfläche der Düse so gewählt, daß dieser mit dem Steigungswinkel o der Außenkanten der freiliegenden Enden 27 der Statorschaufeln des Stators übereinstimmt, siehe Figur 1. Der Einlauf 53 wird durch das stromab liegende Gehäuseteil 52 des Gehäuses 11 gebildet, das dort elliptisch geformt ist. Auch dort erfolgt der Antrieb des Rotors 14 über in den Statoren gelagerte Hohlräder 30 bzw. 31, die mittels Zwischenräder und über ein als Kardangetriebe ausgebildetes Verteilergetriebe 36 - wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben -, wechselweise antreibbar sind. Auch dort ist eine Schiebekupplung 38 vorgesehen, die den rechten oder linken Zweig des Verteilergetriebes an einen Königswellen- antrieb 39 schaltet, der über eine Antriebswelle 40 mit einer hier nicht dargestellten Antriebsmaschine des nur schematisch dargestellten Wasserfahrzeuges 50 in Antriebsverbindung steht. Schließlich ist der gesamte Wasserstrahlantrieb um die eine Drehlagerung für den Wasserstrahlantrieb bildende Königswelle 39 um +- 90 ° schwenkbar.
Unterschiedlich zum Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist, daß die Achsen 51 und 52 von Pumpe 12 und stromab- liegenden Stator nicht gleichachsig, sondern zueinander geneigt um einen Winkel [i angeordnet sind. Mit 54 ist in Figur 3 die Wasserlinie angedeutet.
Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Wasserstrahlantriebes ist folgende.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Bei der in Figur 1 dargestellten Arbeitsstellung des Wasserstrahlantriebes bildet die in ihrer maximalen Offenstellung befindliche Düse 21 zusammen mit dem Ringkanal 26 den Einlauf, während die stromaufliegende in ihrer minimalen Offenstellung befindliche Düse 20 den über den Rotor 14 beschleunigten und über den Stator 16 entdrallten Wasserstrahl austreten läßt, wobei in der dargestellten Arbeitslage - wie Figur 2 ebenfalls zeigt -, der Ringkanal 25 zwischen der Wandung des Gehäuses 11 und der Außenmantelfläche der Düse 21 vorhanden ist. In dieser Schaltstellung der Düse weist der Wasserstrahlantrieb die größte Austrittsöffnung auf. Beide Düsen können mit Hilfe der paarweise angeordneten Hydraulikzylinder 23 und 24 unabhängig voneinander derart in der Weise verstellt werden, daß die an der Einlaufseite eintretende und die auf der Austrittsseite austretende Wassermenge entsprechend den jeweils gewünschten Fahrbedingungen regelbar ist. Solche Regeleinrichtungen sind an sich bekannt und der einfachheithalber und da nicht zur Erfindung gehörend hier weder dargestellt noch beschrieben. Die Düsen 20 und 21 können also mittels der Hydraulikzylinder derart verschoben werden, daß für Vorwärtsfahrt die druckseitige Düse mit dem zugeordneten Stator als Austrittsdüse und die saugseitige Düse mit zugeordnetem Stator, der nun als Leitapparat wirkt, als Einlauf dient, während sich bei gleichzeitiger Umkehr der Drehrichtung des Rotors diese Wirkung umkehrt, wobei die jeweils zugeführte Wassermenge durch axiales Verschieben der jeweils einlaufseitigen Düse regelbar ist.
Das Umsteuern von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt erfolgt also durch unabhängiges Verschieben der beschriebenen Düsen bei gleichzeitiger Änderung der Drehrichtung des Rotors der Pumpe, so daß
a) aus der bisher als Düse arbeitenden Düse - bisherige Schubrichtung - ein Einlauf mit zusätzlicher Außenringfläche und
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91)
ISA/EP b) aus der bisher als Einlauf arbeitenden Düse eine
Schubdüse mit zusätzlicher ringkanalförmiger Zusatzdüse - neue Schubrichtung - wird.
Die dem Rotor der Pumpe vor- bzw. nachgeschalteten Statoren arbeiten demgemäß entsprechend als Leitapparat bzw. als Stator und vice versa, je nach Schubrichtung des Wasserstrahlantriebes, wobei die jeweils dem Rotor mit dem erforderlichen Vordrall zugeführte Wassermenge durch Ändern der axialen Lage der betreffenden Düse regelbar ist. Beim Arbeiten als Düse ermöglicht der durch Verschieben der druckseitigen Düse veränderbare Ringkanal eine regelbare Querschnittsänderung entsprechend der einer gewünschten Fahrgeschwindigkeit erforderlichen Wassermenge.
In ähnlicher Weise wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 die Düse 20 aus der maximalen in die minimale Offenstellung - z. B. ebenfalls mittels Hydraulikzylinder -, axial verschoben, welche dem Fahrzustand "Volle Fahrt voraus" entspricht. Hierbei ist der Ringkanal 25, wie die Figur 3 oben zeigt, geschlossen. Bei Drehrichtungsumkehr des Rotors wird die Düse 20 mit geöffnetem Ringkanal 25 zum Einlauf und der Einlauf 53 wird mittels Stator 15 als Austrittsdüse für die Rückwärtsfahrt benutzt, die Funktionen von Stator und Düse kehren sich also um, wie oben für das Ausführungsbeispiel nach den Figuren l und 2 beschrieben.
Für kleine Boote, z.B. sog. Vergnügungsboote ist es vorteilhaft, die Düsen 20 und 21 starr anzuordnen und diesen einen in den oben beschriebenen Ringkanälen 25 und 26 hin- und herverschiebbar gelagerten, hier nicht dargestellten Schubwechselschieber zuzuordnen, der aus zwei spiegelbildlich angeordneten, die Düsen von außen umfassenden Büchsen besteht, die über Stäbe miteinander starr verbunden sind und jeweils entsprechend den oben beschriebenen Winkeln o und c Kegelförmige
BE ICHTI TES BLATT (REGELE ISA/EP Innenmantelflächen aufweisen, welche mit den kegelförmigen Außenmantelflächen der Düsen korrespondieren.
Beim Verschieben eines solchen Schubwechselschiebers - anstelle der Düsen - wird bei gleichzeitiger Änderung der Drehrichtung des Rotors der Pumpe in gleicher Weise z.B. von Vorwärtsfahrt auf Rückwärtsfahrt umgeschaltet, wie es für die eingangs erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge, mit einer in einem Gehäuse angeordneten , einen Rotor aufweisenden Pumpe, der einlaufseitig ein Leitapparat und austrittsseitig ein Stator sowie eine Düse zugeordnet sind, zur Erzeugung eines Vortrieb liefernden Wasserstrahles und mit Steuerelementen zur Richtungsänderung des Wasserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente mindestens eine axial zwischen einer Maximal- und einer Minimal- Offenstellung verschieblich gelagerte Düse (20, 21), ein den Antrieb des Rotors (14) der Pumpe (12) im Uhrzeiger- oder Gegenzeigersinne ermöglichendes Getriebe (36 - 40) und eine das die Düse (20, 21) und die Pumpe (12) tragende Gehäuse (11) Schwenkbewegungen um mindestens +-90° senkrecht zur Rotationsachse der Pumpe (12) ermöglichende Drehlagerung (39) umfassen.
2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotor 14 der Pumpe stromauf und stromab je eine spiegelbildlich und gleichachsig angeordnete Düse (20, 21) zugeordnet ist, die unabhängig voneinander axial derart verschieblich (Hydraulikzylinder 23, 24) gelagert sind, daß bei Festlegung der einen Düse (21), z. B. in die maximale Offenstellung die andere Düse (20) in Richtung minimale Offenstellung und vice versa verschiebbar ist.
3. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) der Pumpe (12) über ein als Kardangetriebe ausgebildetes Verteilergetriebe (36), dessen Getriebezweige über eine Schiebekupplung (38) aktivierbar sind, im Uhr- oder Gegenuhrzeigersinne antreibbar ist, wobei die
BERICHTIGTESBUTT(REGEL91) ISA/EP Antriebswelle (39) des Verteilergetriebes (36) die etwa senkrecht zur Rotationsachse des Rotors (14) liegende Schwenkachse des Wasserstrahl antriebes bildet.
4. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der axial verschieblich gela¬ gerten Düsen (20, 21) eine Kegelmantelfläche bildet, deren Steigung (oi ) der Steigung (c*. ) der zugewandten freien Enden (27) der Schaufeln (18) des bzw. der Statoren (15, 16) entspricht und daß das die jeweiligen Statoren haltende Gehäuse (11) im Bereich der freien Enden (27) der Schaufeln (18) der Statoren (15, 16) zwecks Bildung eines zwischen Düse und Gehäusewandung befindlichen Ringkanals (25, 26) radial sich nach außen erweiternd ausgebildet ist.
5. Wasserstrahlantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung zwischen Verteilergetriebe (36) und Rotor (14) über den Statoren (15, 16) zugeordnete Hohlräder (30) erfolgt.
6. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor (14) der Pumpe lediglich eine axial verschiebbare stromauf liegende Düse (20) zugeordnet ist, und daß die Achsen (51, 52) von Rotor (14) und Stator (15) einen Winkel ( ß ) einschließen, dies in derartiger Anordnung, daß bei
Drehrichtungswechsel des Rotors (14) der Pumpe (12) der wasseraufnehmende Einlauf (53) als Austritt des Wasserstrahlantriebes nutzbar ist, während die Düse (20) als regelbarer Einlauf dient.
7. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente einen zwischen einer Maximal- und einer Minimal-Offenstellung verschiebbar gelagerten Schubwechselschieber umfassen,
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP der über ein Gestänge miteinander fest verbundenen, kegelförmige Innenmantelflächen aufweisende Büchsen besitzt, die mit den kegelförmigen Außenmantelflächen der ihnen jeweils zugeordneten, unverschiebbar gelagerten Düsen korrespondieren.
8. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 1 - 7, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Hauptantrieb für ein Wasserfahrzeug.
9. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 1 - 7 gekennzeichnet durch seine Verwendung als Hilfsantrieb für ein Wasserfahrzeug.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 9!) ISA/EP
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