EP1545970A1 - Wasserstrahlantrieb für wasserfahrzeuge - Google Patents

Wasserstrahlantrieb für wasserfahrzeuge

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EP1545970A1
EP1545970A1 EP02785156A EP02785156A EP1545970A1 EP 1545970 A1 EP1545970 A1 EP 1545970A1 EP 02785156 A EP02785156 A EP 02785156A EP 02785156 A EP02785156 A EP 02785156A EP 1545970 A1 EP1545970 A1 EP 1545970A1
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EP
European Patent Office
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propeller
water jet
pump
jet drive
housing
Prior art date
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Application number
EP02785156A
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English (en)
French (fr)
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EP1545970B9 (de
EP1545970B1 (de
Inventor
Karl-Josef Becker
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Original Assignee
Individual
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Application granted granted Critical
Publication of EP1545970B1 publication Critical patent/EP1545970B1/de
Publication of EP1545970B9 publication Critical patent/EP1545970B9/de
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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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a water jet drive for watercraft.
  • waterjet drives have been found to improve maneuverability, which are preferably arranged on the bow side in the bottom area.
  • Such water jet drives which are also referred to as bug jet systems, comprise a housing which can be built into the respective vehicle floor and which contains at least one propeller (or a pump impeller) which acts on the water supplied via a housing inlet on the bottom and, for example, via a manifold and channels in the latter Direction radiates, or by at least one flush and usually 360 ° swiveling outlet opening under the ship floor controls all around.
  • the axis of rotation of the propeller or the pump impeller extends either in the horizontal or vertical direction.
  • Water jet drives with a vertically aligned axis of rotation require a relatively shallow draft for air-free working for the propeller (or pump impeller) which is horizontally arranged above a floor inlet, but have, among other things, the disadvantage that such drives at low water depth (ie less than about 50 cm of water under the keel) generate a strong suction due to their suction effect directed directly to the bottom, which increases the ship's resistance and impairs the thrust development or causes it to collapse completely , if foreign objects that are increasingly sucked in clog the protective grille that is usually present. Furthermore, the risk of damage increases because small foreign bodies pass through the protective grid like a sieve and can increasingly get into or between the blades.
  • the invention is based on the object of specifying a water jet drive with a propeller pump for watercraft, in particular for displacement vehicles, which is as simple and inexpensive to produce as possible, which with optimized flow during maneuvering and with increasing travel produces an efficient thrust and better flatness.
  • the invention is essentially based on the idea of arranging the propeller shaft of the water jet drive on the pressure side of the respective propeller pump in a commercially available 90 ° pipe bend in such a way that the propeller axis of rotation is not vertical or horizontal, but at an angle of inclination ⁇ of 20 ° to 50 °. preferably between 25 ° and 40 ° - with respect to the base plate as a horizontal base and to add an outlet housing section to the other, obliquely downward-pointing end of the pipe bend and to provide it with a rotatable bottom deflection grille in order to provide the outlet jet and thus the propeller thrust under the bottom of the water jet drive to steer all around in all directions.
  • the water jet drive consists of a housing unit which can be inserted into the ship's bottom and which is formed from at least four housing sections which are connected to one another: a floor-level inlet which is preferably designed for displacement vehicles.
  • Housing section which is concentrically connected to a tubular pump housing section with an axis inclined to the horizontal.
  • an arc-shaped housing section is attached under the same inclination, which serves as a housing base with an integrated propeller shaft bearing and which is preferably formed by a commercially available 90 ° round arch, but can also be designed in some other way.
  • a floor-level outlet housing section is attached to the other, obliquely downward-pointing arch end, in which there is a bearing for a controllable floor deflection grating.
  • the inlet housing section is designed according to special shape and cross-sectional features that reflect the different inflow conditions (as found in the suction - differentiate between inlet and operation in stationary pumps in a similar way).
  • the inlet housing contour above the inlet opening assumes a trapezoidal cross-section with rounded corners until the corner radii form a curved cross-section with a circular radius to which a conical pump inlet nozzle attaches.
  • this inlet housing section By aligning the contours of this inlet housing section with the main direction of travel (ie straight ahead) and at the same time also with lateral or inclined If flows are recorded like a funnel, the water is optimally fed to the propeller inclined to the flow.
  • the tubular pumps arranged between the inlet - housing section and the pipe bend - housing section which consists of a particularly corrosion and. Wear-resistant material is provided, forms a propeller pump as a central pump housing with at least one propeller and stator blades fixedly arranged behind it, which convert the swirl energy into flow energy and at the same time serve as webs for supporting the central bearing hub.
  • a propeller pump as a central pump housing with at least one propeller and stator blades fixedly arranged behind it, which convert the swirl energy into flow energy and at the same time serve as webs for supporting the central bearing hub.
  • An alternative support for the bearing hub e.g. with round cross-section spokes etc. is also conceivable and included.
  • the water jet drive is to be driven by an internal combustion engine
  • the motor and transmission can be aligned with one another and fixedly arranged on a common base frame, which in turn is then based as an elastically mounted unit on the brackets attached to the water jet drive.
  • the reversing stage of this marine gear can be used for rinsing cleaning of the intake protection grille.
  • the inlet housing section can be designed in special installation-specific variants. For example, by making the entry level of the front or a side entry edge somewhat higher and / or. by varying the inclination of the front or a side housing surface, flat open areas can be created in the bow area or on the side of a watercraft, so that additional (air-free) water can flow in directly from the front or from the side. (Among other things, for pontoon or double-ended ferries with lateral or diagonal jet installation.)
  • the water jet drive according to the invention can be used for different types of watercraft and for different purposes, e.g. as maneuvering u.
  • Auxiliary system and / or as a main drive system can be used at various positions in the vehicle floor.
  • the main vehicle types are inland waterway vessels, such as freight, passenger and work ships as well as ferries, landing craft, government vehicles and those with increased requirements for holding positions, e.g. Fire-fighting boats, diving ships, measuring u. Laboratory ships etc. into consideration.
  • the water jet drive according to the invention can also be designed as a maneuvering system in coastal and. Ocean-going ships are used.
  • Fig.l the longitudinal section of a water jet drive according to the invention with an electric motor as a coaxial direct drive or in an axially parallel arrangement with a belt drive;
  • FIG. 2 shows a bottom view of the water jet drive shown in FIG. 1 from the direction designated II in FIG. 1;
  • 3 and 4 show two sections along the section lines designated III - III and IV - IV in FIG. 2; 5 shows the longitudinal section of the water jet drive shown in Fig.l with an internal combustion engine as a drive.
  • FIG. 1, 1 denotes a water jet drive according to the invention, which is driven either via a coaxially mounted electric motor 2 (in flange design) or via an axially parallel mounted electric motor 2 '(in foot design) by means of belt drive 38 and corresponding reduction with the desired propeller speed or peripheral speed can be.
  • the water jet drive 1 consists of a housing unit 3 which can be inserted into the ship's floor (not shown) and which consists of four housing sections 4 - 7 connected to one another: a floor-flush inlet housing section 4, preferably designed for displacement vehicles, to which a tubular pump housing section 5 is concentrically attached Recording a propeller 10 connects.
  • the propeller axis of rotation 9 and thus also the propeller shaft 11 are arranged at an inclination angle ⁇ of preferably 28 ° with respect to a horizontal base which is formed by the base plate 20 of the housing unit 3.
  • a pipe bend 6 is attached to the pump housing section 5, which serves as a base for mounting the propeller shaft 11 and which can be a commercially available 90 ° round bend.
  • a floor-flush outlet housing section 7 with an outlet opening 15 is attached, in which a pivotable floor deflection grating 16 for controlling the water jet is arranged.
  • bearing stubs 18, 19 are arranged on the round arch 6 to the respective shaft axes.
  • the water-carrying housing sections 4 - 7 and a base plate 20 connecting the inlet and outlet openings 13 and 15 are connected to one another to form a housing unit 3 which can be produced and which is connected to corresponding motor consoles 37 or foundation Consoles 45, 46 for installing the desired drive motor 2, 2 'or 40 can be completed.
  • the housing unit 3 can be designed with an inspection cover over the empty water line (not shown), which enables inspection and cleaning of the inlet area from the machine room.
  • the water is optimally supplied to the propeller 10 inclined to the flow.
  • side surfaces of the inlet housing section 4, which are flared outwards, oblique or lateral inflows are also recorded with a funnel-like effect.
  • the contours of the inlet housing section 4 are chosen such that the profiles of the tunnel cross sections 21, 22 in FIG. 4 steadily increase their height and their upper corner radii until they form a tunnel with a circular curvature to which a conical pump inlet nozzle 23 is attached. Below the axis of rotation 9 of the propeller, the contour of the pump inlet nozzle 23 decreases until it merges downwards into the base plate 20.
  • Alternative designs are conceivable and included.
  • a protective grille 24 against harmful foreign bodies which is either fixedly mounted - or pivotable for shaking off any foreign bodies - and easy removal of the inlet area and the propeller 10 for inspection when dismantled , Maintenance and repairs.
  • the tubular pump housing section 5 arranged between the inlet housing section 4 and the pipe bend 6 forms the pump housing with a narrow radial gap around at least one propeller 10 and together with the guide vanes 26 arranged behind it, which convert the swirl energy into flow energy and at the same time to support the bearing hub 27 serve, the Propelle ⁇ umpe 8.
  • an alternative hub support for example with unprofiled spokes (instead of 26) is conceivable and included.
  • the pro- the bearing hub 27 on the peller side preferably contains a conventional water-lubricated propeller shaft plain bearing 39.
  • the upper propeller shaft bearing 28 which is sealed on both sides, is provided as a grease-lubricated rolling bearing for receiving axial and radial loads and is arranged in the bearing socket 19 attached to the pipe bend 6.
  • outlet housing section 7 is for receiving and storing the floor deflection grid
  • the vertical control shaft 17 is preferably mounted in a bearing sleeve 18 of the housing unit 3 at the bottom in a water-lubricated slide bearing 31 and at the top in a grease-lubricated roller bearing 32 which is sealed on both sides and which can absorb axial and radial loads.
  • a bearing sleeve 18 of the housing unit 3 at the bottom in a water-lubricated slide bearing 31 and at the top in a grease-lubricated roller bearing 32 which is sealed on both sides and which can absorb axial and radial loads.
  • 17 is a drive hub 33 for the (not shown) control drive and a small output hub 34 for the (not shown) optical and. elec. Thrust direction indicator arranged.
  • the electric motor 2 (in the flange version) is connected to the propeller shaft 11 via an elastic shaft coupling 35 and is mounted on the bearing socket 19 of the housing unit 3 via a coaxial housing bell 36.
  • the use of an electric motor 2 '(in the foot version) and a corresponding high-performance belt drive 38 for driving the propeller shaft 11 enable frequency-dependent motor speeds to be adapted to a uniform propeller speed or to a specific peripheral speed.
  • the electric motors 2, 2 ' can optionally be installed in front of the propeller shaft 11 or by means of an axially parallel motor console 37 above or laterally on the housing unit 3 of the water jet drive 1 for the ready-to-use drive unit.
  • an internal combustion engine 40 is provided for driving the water jet drive 1.
  • the base frame 43 is aligned on foundation brackets 45, 46, which are arranged on the housing unit 3, at least four points via rubber-metal damping elements 47 to the propeller shaft 11 and is elastically supported. Load-dependent displacements or deflections are compensated for by the flexible shaft coupling 48 in a double-cardanic design.
  • the rubber-metal damping elements 47 and the two elastic elements of the coupling 48 simultaneously serve to effectively dampen the transmission of vibrations and structure-borne noise to the water jet drive 1 and thus to the hull.
  • the water jet drive can in principle also be carried out with a two-stage propeller pump (pump with a propeller shaft 11 and two propellers 10 with guide vanes 26 located between them) instead of the single-stage propeller pump 8 shown in FIGS. 1-5.
  • the water jet drive 1 can in principle also be carried out with an adjustable propeller pump instead of a fixed propeller pump, in which case the propeller shaft 11 is hollow-drilled, for example in order to pass an actuating rod or lines for adjusting the propeller blades (or the propeller pitch).
  • the device for adjusting the incline in front of the bearing socket 19 can be mounted on the water jet drive 1.
  • an extended actuating rod is clutch 48 and the hollow drilled output shaft of the marine gear 42 can be passed so that the adjusting device - as usual - can be attached to the exterior of the marine gear 42.
  • Propeller axis of rotation 0 Propeller 1 Propeller shaft 2
  • Base 3 inlet opening 4 bow end 5 outlet opening 6 floor deflection grille 7
  • control shaft 8 bearing socket (control shaft) 9 bearing socket (propeller shaft) 0 base plate 1 tunnel cross section 2 arched tunnel cross section 3 pump inlet nozzle 4 protective grille 5 stator 6 guide vane 7 bearing hub 28 sealed roller bearings (propeller shaft)

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Description

Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge.
Insbesondere bei Wasserfahrzeugen, die auch im Flachwasser (z.B. auf Binnengewässern mit variierenden Pegelständen) eingesetzt werden, haben sich zur Verbesserung der Manö- verierfähigkeit Wasserstrahlantriebe bewährt, die vorzugsweise bugseitig im Bodenbereich angeordnet werden. Derartige auch als Bug Jet - Anlagen bezeichnete Wasserstrahlantriebe umfassen ein in den jeweiligen Fahrzeugboden einbaubares Gehäuse, welches mindestens einen Propeller (bzw. ein Pumpenlaufrad) enthält, der das über einen bodenseitigen Gehäuseeinlauf zugefuhrte Wasser mit Energie beaufschlagt und beispielsweise über einen Krümmer und Kanäle in deren Richtung abstrahlt, oder durch mindestens eine bodenbündige und i.d.R. um 360° verschwenkbare Austrittsöffhung unter dem Schiffsboden rundum steuert.
Bei bekannten Wasserstrahlantrieben erstreckt sich die Drehachse des Propellers bzw. des Pumpenlaufrades entweder in horizontaler oder vertikaler Richtung.
Bei einer vertikalen Propelleranordnung d.h. bei Drehung um eine horizontale Querachse in einem Querstrahltunnel ist zu beachten, dass zur Vermeidung von Lufteinbrüchen und dem dadurch verursachten Schubabfall die Wasserlinie etwa um einen halben Propellerdurchmesser über dem Tunnelscheitel liegen sollte. Dadurch ergibt sich der Nachteil, dass das betreffende Wasserfahrzeug einen relativ großen Tiefgang aufweist und eine entsprechende Fahrwassertiefe benötigt, um es risikofrei und effizient manöverieren zu können. Neben diesen sind auch Wasserstrahlantriebe mit vertikaler Propelleranordnung bekannt, die zur Reduzierung des Tiefgangs nach dem Prinzip üblicher Axial Jets über einen Bodeneinlauf verfugen. Weil das Ansaugverhalten axialer Propellerpumpen nur eine begrenzte Austauchung der Propellerschaufeln zulässt, ist ein funktionsbedingtes Tiefgangsverhältnis sicherzustellen.
Wasserstrahlantriebe mit vertikal ausgerichteter Drehachse benötigen für den über einem Bodeneinlauf horizontal angeordneten Propeller (bzw. Pumpenlaufrad) zwar einen relativ geringen Tiefgang zum luftfreien Arbeiten, weisen aber u.a. den Nachteil auf, dass derartige Antriebe bei geringer Wassertiefe (d.h. bei weniger als z.B. etwa 50 cm Wasser unter dem Kiel) durch ihre unmittelbar auf den Grund gerichtete Saugwirkung einen starken Sog erzeugen, welcher den Schiffswiderstand erhöht und die Schubentwicklung beeinträchtigt bzw. ganz zusammenbrechen lässt, wenn verstärkt angesaugte Fremdkörper das üblicherweise vorhandene Schutzgitter zusetzen. Ferner steigt dabei das Beschädigungsrisiko an, weil kleine Fremdkörper das Schutzgitter wie ein Sieb passieren und vermehrt in bzw. zwischen die Beschaufelung gelangen können.
Außerdem hat sich gezeigt, dass bei Wasserstrahlantrieben mit vertikal ausgerichteter Propellerdrehachse bei zunehmender Fahrt die in den vertikalen Ansaugbereich umzulenkende Strömung ab einer bestimmten Fahrtgeschwindigkeit abzureißen beginnt, was dann einen drastischen Schubabfall zur Folge hat.
Zum Antrieb über einen horizontal angeordneten Motor benötigen Wasserstrahlantriebe mit vertikaler Propellerdrehachse ein eigenes Winkelgetriebe. Und zum Antrieb über Ver- brennungsmotore ist zum Kuppeln und Umschalten der Drehrichtung (beispielsweise zum Spülen des Schutzgitters) noch ein Schiffswendegetriebe erforderlich, das als zweites Getriebe die mechanischen Verluste u. die Kosten der Anlage erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen möglichst einfachen und kostengünstig herstellbaren Wasserstrahlantrieb mit einer Propellerpumpe für Wasserfahrzeuge, insbesondere für Verdrängerfahrzeuge anzugeben, der mit optimierter Anströmung beim Manö- verieren und bei zunehmender Fahrt einen effizienten Schub erzeugt und bessere Flach- wassereigenschaften aufweist als die bekannten Bug Jet - Anlagen und sich - mit alternativen Motoren - als kompaktes Antriebsaggregat in den Boden eines Wasserfahrzeuges einschweißen (oder einlaminieren) lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilfhafte Ausgestaltung der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, die Propellerwelle des Wasserstrahlantriebes auf der Druckseite der jeweiligen Propellerpumpe derart in einem handelsüblichen 90°- Rohrbogen anzuordnen, dass die Propellerdrehachse nicht senkrecht oder waagerecht, sondern unter einem Neigungswinkel α von 20° bis 50°, -vorzugsweise zwischen 25° und 40°- gegenüber der Bodenplatte als horizontale Basis aufweist und am anderen schräg nach unten weisenden Ende des Rohrbogens eine Austritts-Gehäusesektion anzufügen und mit einem drehbaren Bodenumlenkgitter zu versehen, um den Austrittsstrahl und somit den Propellerschub unter dem Boden des Wasserstrahlantriebs rundum in alle Richtungen zu steuern.
Durch diese Maßnahme werden gravierende Vorteile hinsichtlich:
- des konstruktiven Aufbaues und der Herstellung
- der Strömungsfuhrung u. Schubentwicklung
- der Fahrtgeschwindigkeit u. des Tiefganges
- der Installation alternativer Antriebsmotore
- der Einbaumöglichkeiten in den Fahrzeugtypen erreicht.
Durch den auf die primäre Anströmrichtung zugeneigten Propeller und die konische Pumpeneinlaufdüse, die (gegenüber runden Einlaufdüsen) im oberen Ansaugbereich schädliche Luftansammlungen vermeidet, wird das Ansaugverhalten bei teilweise austauchenden Propellerschaufeln positiv beeinflusst. Gegenüber Wasserstrahlantrieben mit waagerechter Propellerdrehachse wird der erforderliche Tiefgang deutlich unterschritten. Indem die Saugwirkung des relativ flach geneigten Propellers nicht unmittelbar auf den Grund gerichtet ist und die Eintrittsöffhung (in Relation zum Propellerdurchmesser anderer Wasserstrahlantriebe) größer ist, werden die Flachwassereigenschaften bzgl. Schubentwicklung, Sogwirkung und Widerstand verbessert.
Um einen besonders kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Wasserstrahlantriebes zu erzielen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Wasserstrahlantrieb aus einer in den Schiffsboden einfugbaren Gehäuseeinheit besteht, die aus mindestens vier miteinander verbundenen Gehäusesektionen gebildet wird: einer vorzugsweise für Verdrängerfahrzeu- ge konzipierten bodenbündigen Einlauf - Gehäusesektion, an die sich konzentrisch eine rohrförmige Pumpen - Gehäusesektion mit einer zur Horizontalen geneigten Achse anschließt. Am anderen Ende dieser Pumpen - Gehäusesektion ist unter gleicher Neigung eine bogenförmige Gehäusesektion angefugt, die mit einer integrierten Propellerwellen - Lagerung als Gehäusebasis dient und die vorzugsweise durch einen handelsüblichen 90° - Rundbogen gebildet wird, aber auch in sonstiger Weise gestaltet sein kann. Am anderen schräg nach unten weisenden Bogenende ist eine bodenbündige Austritts- Gehäusesektion angefügt, in der sich eine Lagerung eines steuerbaren Bodenumlenkgitters befindet.
Zur optimalen Anströmung des Propellers als Voraussetzung einer effizienten Schubentwicklung zum Manöverieren im Stand bzw. bei niedriger Fahrtgeschwindigkeit, aber auch zum Fahren bis auf Marschgeschwindigkeit ist die Einlauf- Gehäusesektion nach speziellen Form- und Querschnittsmerkmalen gestaltet, die den unterschiedlichen Anströmverhältnissen (wie sie sich im Saug- und Zulaufbetrieb bei stationären Pumpen in ähnlicher Weise unterscheiden) am besten gerecht werden.
Flach anlaufend nimmt die Einlauf - Gehäusekontur über der Einlauföffnung einen trapez- ähnlichen Querschnitt mit abgerundeten Ecken an, bis die Eckradien im weiter ansteigenden Verlauf einen gewölbten Querschnitt mit einem Kreisradius bilden, an den sich eine konische Pumpeneinlaufdüse anfügt.
Indem die Konturen dieser Einlauf - Gehäusesektion auf die hauptsächliche Fahrtrichtung (d.h. in Geradeausfahrt) ausgerichtet sind und zugleich auch seitliche bzw. schräge Zu- Strömungen trichterähnlich erfasst werden, wird dem der Strömung zugeneigten Propeller das Wasser optimal zugeführt.
Die zwischen Einlauf - Gehäusesektion und dem Rohrbogen angeordnete rohrförmige Pumpen - Gehäusesektion, die aus einem besonders korrosions- u. verschleißfesten Werkstoff vorgesehen ist, bildet als zentrisches Pumpengehäuse mit mindestens einem Propeller und dahinter fest angeordneten Statorschaufeln, welche die Drallenergie in Strömungsenergie umwandeln und zugleich als Stege zur Abstützung der zentrischen Lagernabe dienen, eine Propelleφumpe. Eine alternative Abstützung der Lagernabe z.B. mit Speichen runden Querschnitts etc. ist ebenso denkbar und eingeschlossen.
Je nach den Gegebenheiten der Wasserfahrzeuge und der benötigten Antriebsleistung werden hauptsächlich Elektro- u. Verbrennungsmotore aber auch Hydraulikmotore zum Antrieb verwendet. Bei Verwendung von Elektromotoren werden je nach Bordfrequenz (z.B. 50 od. 60Hz) und Motorbauart (Polpaarzahl) unterschiedliche Antriebsdrehzahlen vorgegeben. Daher hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Elektromotor entweder mittels einer koaxialen Gehäuseglocke direkt anbaubar oder achsparallel und mittels Hochleistungsriementrieb und entsprechend wählbarer Untersetzung über dem Wasserstrahlantrieb oder auch an der rechten bzw. linken Seite an der Gehäuseeinheit anbaubar ist.
Wenn der Wasserstrahlantrieb über einen Verbrennungsmotor angetrieben werden soll, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, den Verbrennungsmotor über ein Schiffsgetriebe in sog. V - Version mit einem standardmäßig verfügbaren Achsneigungswinkel von z.B. 10° mit der Propellerwelle zu verbinden. Dadurch ist eine besonders kompakte Installation des Verbrennungsmotors an dem Wasserstrahlantrieb möglich. Vorzugsweise können Motor und Getriebe auf einem gemeinsamen Grundrahmen zueinander ausgerichtet und fest angeordnet sein, der dann seinerseits als elastisch gelagerte Einheit auf den am Wasserstrahlantrieb angebrachten Konsolen fundamentiert ist. Neben den standardmäßigen Untersetzungsvarianten zur Drehzahlanpassung ist die Wendstufe dieser Schiffsgetriebe zur spülenden Reinigung des Einlaufschutzgitters nutzbar. Um im überwiegenden Flachwassereinsatz einen effizienten Schub zu erreichen, ist die Einlauf- Gehäusesektion in speziellen einbauspezifischen Varianten ausführbar. Indem beispielsweise das Eintrittsniveau der vorderen bzw. einer seitlichen Eintrittskante etwas höher ausgeführt u./od. indem die Neigung der vorderen oder einer seitlichen Gehäusefläche variiert wird, lassen sich im Bugbereich oder an der Seite eines Wasserfahrzeuges flache offene Bereiche schaffen, so dass dem Propeller zusätzliches (luftfreies) Wasser direkt von vorne oder von der Seite zuströmen kann. (U.a. beispielsweise bei Ponton- bzw. Doppelendfähren mit seitlicher bzw. diagonaler Jet - Installation.)
Im übrigen kann der erfindungsgemäße Wasserstrahlantrieb für unterschiedliche Typen von Wasserfahrzeugen und für unterschiedliche Zwecke, z.B. als Manöverier- u. Hilfsanlage und / oder als Hauptantriebsanlage an verschiedenen Positionen im Fahrzeugboden verwendet werden. Als Fahrzeugtypen kommen hauptsächlich Binnenschiffe, wie Fracht-, Personen- und Arbeitsschiffe sowie Fähren, Landungsfahrzeuge, Behördenfahrzeuge und solche mit erhöhten Anforderungen an das Halten von Positionen, wie z.B. Feuerlöschboote, Taucherschiffe, Meß- u. Laborschiffe etc. in Betracht. Der erfindungsgemäße Wasserstrahlantrieb kann aber auch bei entsprechender Auslegung als Manöverieranlage in Küsten- u. Hochseeschiffen zum Einsatz kommen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig.l den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Wasserstrahlantriebes mit einem Elektromotor als koaxialer Direktantrieb oder in achsparalleler Anordnung mit einem Riementrieb;
Fig.2 eine Bodenansicht des in Fig. 1 dargestellten Wasserstrahlantriebes aus der in Fig. 1 mit II bezeichneten Richtung;
Fig.. 3 und 4 zwei Schnitte entlang der in Fig.2 mit III - III und IV - IV bezeichneten Schnittlinien; Fig.5 den Längsschnitt des in Fig.l dargestellten Wasserstrahlantriebs mit einem Verbrennungsmotor als Antrieb.
In Fig.1 ist mit 1 ein erfindungsgemäßer Wasserstrahlantrieb bezeichnet, der entweder über einen koaxial angebauten Elektromotor 2 (in Flanschausführung) oder über einen achsparallel angebauten Elektromotor 2' ( in Fußausführung) mittels Riementrieb 38 und entsprechender Untersetzung mit der gewünschten Propellerdrehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit angetrieben werden kann.
Der Wasserstrahlantrieb 1 besteht aus einer in den Schiffsboden (nicht dargestellt) einfügbaren Gehäuseeinheit 3, die aus vier miteinander verbundenen Gehäusesektionen 4 - 7 besteht: einer vorzugsweise für Verdrängerfahrzeuge konzipierten bodenbündigen Einlauf - Gehäusesektion 4, an die sich konzentrisch eine rohrfbrmige Pumpen - Gehäusesektion 5 zur Aufnahme eines Propellers 10 anschließt. Erfindungsgemäß ist die Propellerdrehachse 9 und damit auch die Propellerwelle 11 unter einem Neigungswinkel α von vorzugsweise 28° gegenüber einer horizontalen Basis, die von der Bodenplatte 20 der Gehäuseeinheit 3 gebildet wird, angeordnet.
In Richtung der geneigten Propellerdrehachse 9 ist an die Pumpen - Gehäusesektion 5 ein Rohrbogen 6 angefügt, der zur Lagerung der Propellerwelle 11 als Gehäusebasis dient und bei dem es sich um einen handelsüblichen 90°- Rundbogen handeln kann. Am anderen schräg nach unten weisenden Bogenende 14 des Rohrbogens 6 ist eine bodenbündige Austritts- Gehäusesektion 7 mit einer Austrittsöffnung 15 angefügt, in der ein verschwenkbares Bodenumlenkgitter 16 zur Steuerung des Wasserstrahles angeordnet ist.
Zur Durchführung, Lagerung und Abdichtung der Steuerwelle 17 und der Propellerwelle 11 sind auf dem Rundbogen 6 zu den jeweiligen Wellenachsen konzentrische Lagerstutzen 18, 19 angeordnet.
Die wasserführenden Gehäusesektionen 4 - 7 und eine die Eintritts- und Austrittsöffhun- gen 13 und 15 verbindende Bodenplatte 20 sind untereinander zu einer voφroduzierbaren Gehäuseeinheit 3 verbunden, die mit entsprechenden Motorkonsolen 37 bzw. Fundament- konsolen 45, 46 zur Installation des gewünschten Antriebsmotors 2, 2' bzw. 40 komplettierbar ist.
Ferner ist die Gehäuseeinheit 3 mit einem Inspektionsdeckel über der Leerwasserlinie (nicht dargestellt) ausführbar, der vom Maschinenraum aus eine Inspektion und Reinigung des Einlaufbereiches ermöglicht.
Indem die Konturen der Einlauf- Gehäusesektion 4 auf die hauptsächliche Fahrtrichtung (d.h. in Geradeausfahrt) ausgerichtet sind, wird dem der Strömung zugeneigten Propeller 10 das Wasser optimal zugeführt. Über die gemäß Fig. 3 u. 4 schräg nach außen ausgestellten Seitenflächen der Einlauf- Gehäusesektion 4 werden mit trichterähnlicher Wirkung auch schräge bzw. seitliche Anströmungen erfasst.
Dabei sind die Konturen der Einlauf- Gehäusesektion 4 derart gewählt, dass sich die Profile der Tunnelquerschnitte 21, 22 in Fig. 3 u. 4 bzgl. ihrer Höhe und ihrer oberen Eckradien stetig vergrößern bis sie einen Tunnel mit kreisförmiger Wölbung bilden, an den sich eine konische Pumpeneinlaufdüse 23 anfügt. Unterhalb der Propellerdrehachse 9 nimmt die Kontur der Pumpeneinlaufdüse 23 ab, bis sie nach unten hin in die Bodenplatte 20 übergeht. Alternative Ausführungen dazu sind denkbar und eingeschlossen.
Im Bereich der Eintrittsöffhung 13 der Einlauf- Gehäusesektion 4 befindet sich ein Schutzgitter 24 gegen Fremdkörper in schädlicher Größe, welches entweder fest montiert - oder zum Abschütteln evt. Fremdkörper - schwenkbar angeordnet ist und bei Demontage eine einfache Zugänglichkeit des Einlaufbereiches und des Propellers 10 zur Inspektion, Wartung und im Reparaturfall ermöglicht.
Die zwischen Einlauf- Gehäusesektion 4 und dem Rohrbogen 6 angeordnete rohrförmige Pumpen- Gehäusesektion 5 bildet mit einem engen Radialspalt um mindestens einen Propeller 10 das Pumpengehäuse und zusammen mit den dahinter angeordneten Leitschaufeln 26, welche die Drallenergie in Strömungsenergie umwandeln und zugleich zur Abstützung der Lagernabe 27 dienen, die Propelleφumpe 8. Ebenso ist eine alternative Nabenabstützung z.B. mit unprofilierten Speichen (anstelle 26) denkbar und eingeschlossen. Die pro- pellerseitige Lagernabe 27 enthält vorzugsweise ein übliches wassergeschmiertes Propellerwellen - Gleitlager 39.
Die obere beidseitig abgedichtete Propellerwellenlagerung 28 ist als fettgeschmierte Wälzlagerung zur Aufnahme axialer und radialer Belastungen vorgesehen und in dem auf dem Rohrbogen 6 angefügten Lagerstutzen 19 angeordnet.
In der Austrittsgehäusesektion 7 ist zur Aufnahme und Lagerung des Bodenumlenkgitters
16 ebenfalls eine über Stege 29 abgestützte Lagernabe 30 angeordnet, wobei mindestens zwei Stege 29 über der vorderen Bodenhälfte derart angeordnet sind, dass sie dort die Strömungsführung auf bzw. durch das Bodenumlenkgitter 16 begünstigen.
Zur Rundumsteuerung des Bodenumlenkgitters 16 ist die vertikale Steuerwelle 17 unten vorzugsweise in einem wassergeschmierten Gleitlager 31 und oben in einer beidseitig abgedichteten und fettgeschmierten Wälzlagerung 32, welche axiale und radiale Belastungen aufnehmen kann, im Lagerstutzen 18 der Gehäuseeinheit 3 gelagert. Auf der Steuerwelle
17 ist eine Antriebsnabe 33 für den (nicht dargestellten) Steuerantrieb und eine kleine Abtriebsnabe 34 für die (nicht dargestellte) optische u. elektr. Schubrichtungsanzeige angeordnet.
Der Elektromotor 2 (in Flanschausführung) ist über eine elastische Wellenkupplung 35 mit der Propellerwelle 11 verbunden und über eine koaxiale Gehäuseglocke 36 am Lagerstutzen 19 der Gehäuseeinheit 3 montiert. Die Verwendung eines Elektromotors 2' (in Fußausführung) und eines entsprechenden Hochleistungs- Riementriebes 38 zum Antrieb der Propellerwelle 11 ermöglichen die Anpassung frequenzabhängiger Motordrehzahlen an eine einheitliche Propellerdrehzahl bzw. an eine bestimmte Umfangsgeschwindigkeit. Je nach den gegebenen Platzverhältnissen sind die Elektromotore 2, 2' wahlweise vor der Propellerwelle 11 oder mittels einer achsparallelen Motorkonsole 37 oberhalb oder auch seitlich an der Gehäuseeinheit 3 des Wasserstrahlantriebs 1 zum betriebsfertigen Antriebsaggregat installierbar. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor 40 zum Antrieb des Wasserstrahlantriebes 1 vorgesehen. Um eine kompakte und vorteilhafte Anordnung der Antriebskomponenten zu erreichen, ist der Verbrennungsmotor 40 mit der daran angebauten drehelastischen Motorkupplung 41 zusammen mit einem handelsüblichen Schiffsgetriebe 42, vorzugsweise in einer V - Version, (d.h. die horiz. Antriebs- u. die geneigte Abtriebsachse bilden ein "liegendes V") auf einem gemeinsamen Grundrahmen 43 montiert und derart positioniert, dass sich für die verbindende Kardanwelle 44 eine W - Anordnung mit zwei gleichen Beugungswinkeln in zulässiger Größe ergibt.
Der Grundrahmen 43 ist auf Fundamentkonsolen 45, 46, die an der Gehäuseeinheit 3 angeordnet sind, an mindestens vier Punkten über Gummi - Metall - Dämpfungselemente 47 zur Propellerwelle 11 ausgerichtet und elastisch gelagert. Lastabhängige Verlagerungen bzw. Einfederungen werden von der elastischen Wellenkupplung 48 in doppel- kardani- scher Ausführung kompensiert. Darüber hinaus dienen die Gummi - Metall - Dämpfungselemente 47 und die beiden Elastikelemente der Kupplung 48 gleichzeitig dazu, die Übertragung von Vibrationen und Köφerschall auf den Wasserstrahlantrieb 1 und somit auf den Schiffsköφer wirksam zu dämpfen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist der Wasserstrahlantrieb statt mit der in Fig. 1 - 5 dargestellten einstufigen Propelleφumpe 8 prinzipiell auch mit einer zweistufigen Propelleφumpe (Pumpe mit einer Propellerwelle 11 und zwei Propellern 10 mit dazwischen befindlichen Leitschaufeln 26) ausführbar.
Und außerdem ist der Wasserstrahlantrieb 1 anstelle einer Festpropeller - Pumpe prinzipiell auch mit einer Verstellpropeller - Pumpe ausführbar, wobei dann die Propellerwelle 11 hohlgebohrt ist, um z.B. eine Betätigungsstange oder Leitungen zur Verstellung der Propellerschaufeln (bzw. der Propellersteigung) hindurchzuführen. Bei einem Antrieb mittels achsparallel installiertem Elektromotor ist die Einrichtung zur Steigungsverstellung vor dem Lagerstutzen 19 am Wasserstrahlantrieb 1 montierbar. Im Falle eines Verbrennungsmotors als Antriebsmotor ist z.B. eine verlängerte Betätigungsstange durch die Wellen- kupplung 48 und die hohlgebohrte Abtriebswelle des Schiffsgetriebes 42 hindurchführbar, so dass die VerStelleinrichtung - wie üblich - außen am Schiffsgetriebe 42 anbaubar ist.
Bezugszeichenliste
Wasserstrahlantrieb , 2' Elektromotor, Antrieb
Gehäuseeinheit
Einlauf-Gehäusesektion, Gehäusesektion
Pumpen-Gehäusesektion, Gehäusesektion
Rohrbogen, bogenförmige Gehäusesektion
Austritts-Gehäusesektion, Gehäusesektion
Propelleφumpe, Pumpe
Propellerdrehachse 0 Propeller 1 Propellerwelle 2 Basis 3 Eintrittsöffhung 4 Bogenende 5 Austrittsöffhung 6 Bodenumlenkgitter 7 Steuerwelle 8 Lagerstutzen (Steuerwelle) 9 Lagerstutzen (Propellerwelle) 0 Bodenplatte 1 Tunnelquerschnitt 2 gewölbter Tunnelquerschnitt 3 Pumpeneinlaufdüse 4 Schutzgitter 5 Stator 6 Leitschaufel 7 Lagernabe 28 abgedichtete Wälzlagerung (Propellerwelle)
29 Steg
30 Lagernabe
31 Gleitlager
32 abgedichtete Wälzlagerung ( Steuerwelle)
33 Antriebsnabe
34 Abtriebsnabe
35 elastische Wellenkupplung
36 Gehäuseglocke
37 Motorkonsole
38 Riementrieb
39 Propellerwellen - Gleitlager
40 Verbrennungsmotor, Motor, Antrieb
41 drehelastische Motorkupplung
42 Schiffsgetriebe, Getriebe
43 Grundrahmen
44 Kardanwelle
45 Fundamentkonsole
46 Fundamentkonsole
47 Gummi - Metall - Dämpfungselement
48 elastische Doppelkardan - Wellenkupplung, Kupplung
49 Getriebekonsole

Claims

Patentansprüche
1. Wasserstrahlantrieb für Wasserfahrzeuge mit den Merkmalen:
a) der Wasserstrahlantrieb (1) umfasst eine in den Boden des jeweiligen Wasserfahrzeuges einbaubare Gehäuseeinheit (3), welche mindestens einen um eine Propellerachse (9) drehbaren Propeller (10) enthält, der das durch eine bodensei- tige Eintrittsöffnung (13) der Gehäuseeinheit (3) eintretende Wasser durch einen Bogen (6) und durch ein in einer bodenbündigen Austrittsöffhung (15) der Gehäuseeinheit (3) drehbar angeordnetes Bodenumlenkgitter (16) fordert und somit unterhalb der Gehäuseeinheit (3) abstrahlt;
b) der Propeller (10) bildet mindestens mit einer Pumpen-Gehäusesektion (5) der Gehäuseeinheit (3) eine Pumpe (8), die mit einem außerhalb der Gehäuseeinheit (3) angeordneten Antrieb (2, 2', 40) in Wirkverbindung steht;
c) die Propellerdrehachse (9) weist gegenüber der Bodenplatte (20) als horizontale Basis einen Neigungswinkel α zwischen 20° und 50° auf.
2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerdrehachse (9) gegenüber der Bodenplatte (20) als horizontale Basis einen Neigungswinkel α zwischen 25° und 40° aufweist.
3. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseeinheit (3) des Wasserstrahlantriebes (1) aus mindestens vier miteinander
. verbundenen Gehäusesektionen (4-7) besteht: einer Einlauf- Gehäusesektion (4), durch die das Wasser zur Pumpe (8) gelangt, einer den Propeller (10) umfassenden rohrförmigen Pumpen-Gehäusesektion (5), einer bogenförmigen Gehäusesektion (6) zur Umlenkung des Wasserstromes und einer mit einem verschwenkbaren Bodenumlenkgitter (16) versehenen Austritts-Gehäusesektion (7).
4. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Einlauf-Gehäusesektion (4) über der Eintrittsöffnung (13) einen trapezähnlichen Tunnelquerschnitt (21), der im weiter ansteigenden Verlauf einen kreisförmig gewölbten Tunnelquerschnitt (22) bildet und dann über eine konische Pumpeneinlaufdüse (23) in einen Kreisquerschnitt übergeht, der konzentrisch in die Pumpen- Gehäusesektion (5) der Gehäuseeinheit (3) mündet.
5. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der bogenförmigen Gehäusesektion (6) um einen 90° - Rohrbogen handelt.
6. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Antrieb (2, 2') der Pumpe (8) um einen Elektromotor handelt, der entweder stirnseitig oder achsparallel zur Propellerwelle (11) an der Gehäuseeinheit (3) befestigt ist.
7. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Antrieb (40) der Pumpe (8) um einen Verbrennungsmotor handelt, der auf der Gehäuseeinheit (3) befestigt ist, wobei der Antrieb (40) und die Propellerwelle (11) mindestens über ein Getriebe (42) verbunden sind, das seinen Krafteingang und Kraftausgang auf der gleichen Seite hat.
8. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einlauf-Gehäusesektion (4) der Gehäuseeinheit (3) ein Schutzgitter (24) angeordnet ist.
9. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Pumpe (8) in der Gehäuseeinheit (3) um eine zweistufige Axialpumpe handelt, die auf der Propellerwelle (11) zwei Propeller (10) und mindestens eine dazwischen befindliche Leitschaufel (26) zur Gleichrichtung der Strömung aufweist.
0. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Propeller (10) der Pumpe (8) um einen Verstellpropeller handelt.
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