EP1599381A1 - Schnelles, durch mindestens einen waterjet angetriebenes, schiff ohne abgasfahne - Google Patents

Schnelles, durch mindestens einen waterjet angetriebenes, schiff ohne abgasfahne

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EP1599381A1
EP1599381A1 EP04710386A EP04710386A EP1599381A1 EP 1599381 A1 EP1599381 A1 EP 1599381A1 EP 04710386 A EP04710386 A EP 04710386A EP 04710386 A EP04710386 A EP 04710386A EP 1599381 A1 EP1599381 A1 EP 1599381A1
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EP
European Patent Office
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water jet
ship
water
speed
drive device
Prior art date
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EP04710386A
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English (en)
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Moustafa Abdel-Maksoud
Wolfgang Rzadki
Hannes Schulze Horn
Heinz Tiemens
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP1599381B1 publication Critical patent/EP1599381B1/de
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    • 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
    • B63H11/103—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water having means for deflecting jet or influencing cross-section thereof having means to increase efficiency of propulsive fluid, e.g. discharge pipe provided with means to improve the fluid flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00—Marine propulsion by water jets
    • B63H11/12—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being steam or other gas

Definitions

  • the invention relates to an operating method and a drive device for a large watercraft, e.g. for a fast, military, surface watercraft, which has at least one water jet propulsion (waterjet) under the ship, the propulsive energy by internal combustion engines, e.g. Gas turbines, is generated and the exhaust gases generated by the internal combustion engines' are distributed in the water by means of the water jet of the water jet under the ship.
  • a large watercraft e.g. for a fast, military, surface watercraft
  • waterjet water jet propulsion
  • Drive device for a large watercraft also for a large civil watercraft, e.g. to indicate a fast ferry, a large yacht or the like, in which an undetectable operation without exhaust gas plume or emission-free can be achieved even without the use of electrical energy to achieve the march (normal travel) speed.
  • the drive efficiency should be undiminished and the ship's resistance should be reduced. This is done by introducing exhaust gas bubbles into the hull boundary layer.
  • the object is achieved in that the exit velocity of the water jet of the water jet corresponds to the requirements exhaust gas discharge and distribution is set. Because the speed of the water jet of the water jet is set in accordance with the requirements of exhaust gas introduction and distribution, and no longer, as was previously the case with water jets, in accordance with the requirements of ship speed, it is surprisingly advantageously possible, even at low speeds and possibly . Even when the ship is at a standstill, exhaust gases are discharged under the ship. By discharging the exhaust gases under the ship, even at low ship speeds or when starting the ship, there is also a very advantageous possibility for ships that do not have an electric drive to operate them at all speeds without an exhaust plume.
  • the watercraft has at least one electrically driven water jet drive, the electrical energy being at least partially generated by combustion, e.g. Gas turbines, driven generators is generated.
  • the drive components can thus be arranged particularly cheaply in the ship and used more effectively in the partial load range. It is possible to place the waterjet far ahead in the ship, e.g. at the beginning of the parallel trunk course. This has the advantage that the gas-water mixture generated by the waterjet flows around the entire hull to reduce friction.
  • the exhaust gas is introduced into the water under the ship without increasing (compression) the exhaust gas pressure. So it can be advantageous to install compressors or exhaust gas ejectors for the pipe of the exhaust gases into the water. The efficiency of the drive system is also not reduced by the energy requirements of the compressors or ejectors.
  • the water jet speed at the exit of the water jet from the water jet creates a vacuum region with a pressure which is below the exhaust gas pressure. This advantageously makes it possible to even increase the efficiency of the internal combustion engines, which is generally dependent on the exhaust gas back pressure.
  • the speed of the water jet of the water jet can be set independently of the ship's speed.
  • the speed of the water jet emitted by the waterjets is not independent of the speed of the ship. This could mean that the amount of exhaust gas generated by the internal combustion engines cannot be discharged in the part-load range, since the ship is traveling too slowly. This is prevented by the inventive design.
  • the speed of the water jet of the water jet is adjusted by changing the cross section of the water jet.
  • the speed of the water jet of the waterjet can also be adjusted by a controlled change in the speed of the water flowing through the waterjet, for example by changing rotor speeds, but particularly advantageously in that the change in the speed of the water flowing through the waterjet is regulated by adjusting elements, in particular by means of adjustable adjustment blades of the waterjet rotor.
  • adjustable adjustable blades of the waterjet rotor it is even possible that when the ship starts up, a sufficiently fast water jet is already generated for the removal of the exhaust gases. It is also possible to start the ship without any exhaust fumes using a waterjet driven by an internal combustion engine, with high efficiency.
  • the introduction of the exhaust gases into the water becomes completely independent of the ship's speed and ships that approach without exhaust gas and do not have stored or generated electrical energy can be executed. This is particularly important for low cost ships.
  • the setting of the speed of the water jet of the water jet is carried out particularly advantageously by a controlled change in cross section of the water jet, e.g. via a cross-sectional nozzle at the water jet outlet.
  • This is a mechanically particularly simple solution.
  • a particularly favorable operating behavior arises if the cross-sectional change is caused by guide elements arranged in the interior of the water jet, e.g. axially displaceable pipe sections. Despite the guide elements, a low-friction and low-turbulence design of the water jet is possible. At the same time, a mechanically particularly simple and robust solution results.
  • the change in cross-section is effected by guide elements, for example flaps, arranged on the outside of the water jet.
  • the flaps which can be designed both perpendicularly to the water jet formation and also like an iris diaphragm, can be moved simply mechanically or hydraulically.
  • the water jet can also be given a cross-section which is set in a regulated manner and deviates from a circular shape, in particular a square or rectangular cross-section, for example by means of a corresponding outlet nozzle shape and size, which are optimally adapted to the shape of the ship hydrodynamically (noise and ship resistance) can. So it is possible to realize a water jet shape adapted to the respective ship type, For example, for flat-going ships, a water jet in flat form without leaving the advantages of the water jet's speed, which is regulated independently of the ship's speed.
  • the speed of the water jet of the waterjet is set between limit values that are independent of the ship's speed.
  • limit values e.g. for the minimum speed of the water jet, it can be achieved that the exhaust gases are safely discharged in sufficient quantities, even if the ship is only moving slowly.
  • the upper limit advantageously results from a free flow of the water jet with the highest possible water tightness.
  • a drive device for carrying out the operating method for a watercraft with a water jet arranged under the ship, an underwater exhaust gas introduction device, e.g., flowing axially through the water jet drive jet, exiting the water jet generated by the water jet.
  • a substantially round chamber for introducing the exhaust gases into the water under the ship is arranged.
  • the underwater exhaust gas introduction device for introducing the exhaust gases into the water is designed as a coaxial exhaust nozzle segment.
  • a coaxial exhaust gas nozzle segment ie a nozzle segment which is in relation to the exhaust gas space, which is the water jet of the Surrounding water jets, coaxial, the invention is particularly advantageous.
  • a cross-sectionally adjustable middle element e.g. a telescopic device which effects the adjustment of the water jet speed in the underwater exhaust gas introduction device is arranged.
  • the result is a coaxial exhaust nozzle segment with particularly good efficiency and a robust design. Its function is such that there is no increased nozzle noise even when the water jet cross-section changes. This is particularly important for Navy (Navy) ships.
  • an outer element which is adjustable in cross section, e.g. a controllable aperture is arranged.
  • the outer element for setting the water jet cross-section can also be used in combination with the inner element and allows a simple mechanical design, e.g. in the form of a lever-actuated adjusting device, the cross-sectional reduction of the waterjet water jet according to the invention.
  • Both the inner and the outer element can be supplemented by the known waterjet deflection vanes for adjusting the water jet direction or also for reversing. As a result, the exit effect for the exhaust gases according to the invention is not impaired.
  • the drive device has a pipe system for the exhaust gases in the coaxial exhaust nozzle segment, in which there is advantageously at least one back pressure-controlled non-return valve. This can prevent water from striking back into the pipe system and thus also into the internal combustion engines when the ship stops.
  • the pipe system also advantageously has Controlled shut-off devices, such as flaps or slides, which are independent of the back pressure and are used in particular in port or when driving by means of a propeller drive.
  • the walls and / or blades of the waterjet advantageously have a coating made of elastomeric material.
  • This can e.g. Hard rubber, but also a fiber-reinforced plastic material. In this way, cavitation phenomena are prevented as well as noise insulation of the emerging water jet is achieved.
  • Corresponding coatings are known from the field of centrifugal pumps, but it is new to also provide them for water jets.
  • the drive device has at least one preferably retractable rudder propeller or cycloidal propeller as the control and propulsion element of the ship.
  • the vacuum region advantageously provided at the waterjet water jet outlet thus readily results.
  • the drive device for example in the case of electric drives, in addition to a generator, at least one further electrical energy source, e.g. Accumulators or fuel cell systems, which allow exhaust-free navigation of the ship.
  • the rudder propeller can also be retracted in the bow area. Then the usual "bow thruster *" can be omitted.
  • an internal combustion engine for starting the watercraft has an optionally switchable exhaust line into the water or into the atmosphere.
  • sensors for pressure measurement are provided in the underwater exhaust gas introduction device for supplying the exhaust gases to the water jet of the waterjet; sensors for pressure measurement in the exhaust pipe system are also provided. In this way, safe operation can be achieved with simple and robust sensors.
  • An automation system with automation devices is advantageously available for the control and regulation of the water jet as a function of the exhaust gas introduction, which relieves the ship's operating crew and prevents switching errors. Furthermore, coordinated control of the individual drive components can be achieved using ramp functions.
  • the automation system acts not only on the elements on the waterjet which influence the waterjet speed and the pressure conditions, but also on the adjusting elements and closure elements in the exhaust pipe system.
  • the automation system is advantageously arranged “on site *. It includes the automation of the internal combustion engine (gas turbine or diesel engine), the generator and the water jet, as well as the exhaust pipe system. It advantageously controls and regulates both the operational readiness (e.g. pressures and temperatures), starting and operation (e.g. speeds and positions of actuators) as well as the required electrical switching and actuating devices (e.g. circuit breakers, AC-AC or AC - DC actuators) ).
  • a corresponding second automation system is at least partially in the overall drive automation. This results in an advantageous complete automation of the drive device in relation to the water jet as the drive component.
  • the heat of the exhaust gases via a heat exchanger system for others Operating equipment, for example for the production of warm water and / or for desalination of sea water.
  • the energy required for this can advantageously be reduced on board the respective ship.
  • the drive device according to the invention is e.g. primarily controlled according to the speed requirement of the ship. On ships with one or more electric rudder propellers in the stern area, the propulsion required for the desired at relatively low speeds
  • Ship speed is necessary to deliver, also a simultaneous operation of the water jets is provided.
  • This has the advantage that the increased shape of the ship due to the arrangement of the water jets on the underside of the ship can be compensated. So there is no negative influence of the hull shape change required by the waterjets.
  • a running of the water jets is advantageously provided for ships which, in addition to the water jets, also have electric rudder propellers or an electric simple propeller drive, at least from the speed range of 2 to 3 knots. From this speed, it is also possible to achieve the vacuum or zero pressure required for the introduction of exhaust gas by reducing the cross section of the waterjet water jet without having to work with adjusting blades in the waterjet.
  • the adjustment blades of the Waterjet rotor no longer need to be set to the suction position, as when starting, even from 2 to 3 knots, but can be operated with the normal propulsion position of the Waterjet -Rotor blades to be worked.
  • the waterjet adjustment position can therefore be optimized for propulsion.
  • 1 shows the exhaust gas routing of a drive device in relation to the waterjet and in
  • FIG. 3 shows a schematic diagram with the input and output variables on the waterjet.
  • FIGURE 1 is an internal combustion engine, here e.g. a gas turbine of the type LM2500 from MTU.
  • the gas turbine drives a generator 2, here e.g. a 16MW generator.
  • the coaxial nozzle segment is designated by 3, in which the schematically indicated water jet 5 entrains the exhaust gas surrounding the water jet coaxially.
  • the water jet 5 is generated by the rotor 4, which e.g. is driven by a rotor shaft.
  • the double arrow 6 symbolizes the adjustability of the cross-section at the exit of the waterjet, in order to give it the necessary speed even at low speeds of the ship to challenge the exhaust gas from the area of the waterjet outlet.
  • the speed of the emerging water jet can be set so high by a corresponding reduction in cross section that a vacuum is even created in room 3.
  • Alternatively can
  • Pressure can be set to 0 bar, so that the gas turbine or a diesel engine instead of the gas turbine has no loss in efficiency compared to a free escape of the exhaust gases into the atmosphere.
  • the exhaust gases of the gas turbine 1 are led to the coaxially operating nozzle segments through the line 9, which is preferably formed immediately before the water jets when using twin water jets.
  • shut-off valves 7 and 8 which are non-return flaps or controlled flaps, in order to prevent the water surrounding the ship's hull from kicking back into the line when it is at a standstill.
  • pressure sensors can also be arranged, which serve to regulate the exhaust gas pressure in the respective areas by changing the exit speed of the water jet or the exit cross section from the line 9.
  • the pressure sensors can be supplemented by further sensors, such as water intrusion detectors, valve position sensors etc.
  • the sensor signals are given to the automation system (not shown in more detail), which e.g. also start-up ramps for the gas turbine, for the pumps of the heat exchanger 11 and for the
  • Servomotor of the main gate valve 10 has.
  • the automation system has the usual components for a ship propulsion system, so that an autonomously operable subsystem of ship automation is created.
  • This subsystem is advantageously designed in such a way that, together with the internal combustion engine, the generator and the waterjet, as well as the pipelines required for this, there is a ship equipment component which can be used essentially unchanged for different ship types and ship sizes. It is particularly advantageous if this drive unit is installed in the ship in a prefabricated form when the keel is laid. The number of installed ship equipment components depends on the size of the ship.
  • 12 denotes the rotor blades, which are arranged on a rotor hub 15.
  • the rotor hub 15 can be driven in a manner not detailed, for example by a drive shaft 23 engaging from the front. However, it can also be designed as an inner rotor, the drive being carried out by windings 16, which are indicated schematically.
  • the stator also has the stator blades 13, which, if necessary, for a better starting behavior of the ship, if no separate propeller drive is available in the stern or in the bow, as well as the rotor blades 12, are designed as adjusting blades and, in this respect, supplement the intended blade adjustment for a water jet that can be approached.
  • the stator hub 14 On the output side, the stator hub 14 has hydraulically actuable tubular elements 17 which can be extended to different extents and reduce the cross section in the annular space 22 in such a way that the water velocity is high enough to exhaust the exhaust gases of the internal combustion engine through the pipeline 18 into the annular space 22 come in, carry along.
  • the adjustability of the adjustment elements 17 is indicated by the thick double arrow 20.
  • the annular space 22 is closed off by walls 21, into which e.g. ring baffles can also be installed in order to achieve an external adjustment of the outlet cross section of the water from the waterjet.
  • Such an adjustment can take place by means of an iris diaphragm which contains segments which can be displaced in relation to one another in the form of tubular sections.
  • An outer cone that is moved towards the inlet side of the water also has a corresponding effect.
  • the inner contour of the outer cone can roughly correspond to the contour of the outer annular space boundary.
  • the inflow of water is indicated by the arrow 19, it can result both from the ship's travel through the water and from a suction effect of the water jet, which arises when the rotor and possibly the stator blades are adjusted accordingly ,
  • the pipe diameter, the spacing in the waterjet, the blade profiles, the design of the elements that change the cross-section of the emerging water jet are coordinated with each other and specific for each drive device.
  • the drive directions are therefore preferably designed as autonomously operable devices which are then assigned in different numbers, for example individually or in pairs, to a respective ship type.
  • 25 denotes a longitudinally cut water jet with the entry plane II and the exit plane I for the water flowing through the water jet.
  • the pressure and speed relationships on the Waterjet can be described by the mass conservation equation and the integrated momentum equation. The specialist can use this to calculate the required speeds and beam cross sections in the waterjet.
  • the application of the equations results from the calculation example which refers to FIG. 3.
  • An example table shows the speed range that is important according to the invention. As can be seen, the discharge rate of the water jet is so great that any amount of exhaust gas resulting in practical operation can be safely discharged.
  • Pi mean dynamic pressure component in the entry level Pa
  • Vn average speed in the exit plane m / s Pn average dynamic pressure component in the exit plane Pa T: the thrust generated N
  • Column 10 shows that from 2 nodes there are negative pressures in the exit plane of the drive.
  • the calculated flow rate in column 13 is significantly higher than the minimum flow rate required to transport the exhaust gases.

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Abstract

Betriebsverfahren und Antriebseinrichtung für ein großes Wasserfahrzeug, z.B. für ein schnelles, militärisches, Überwasserschiff, das mindestens einen Wasserstrahlantrieb (22) (Waterjet) unter dem Schiff aufweist, wobei die Vortriebsenergie durch Verbrennungskraftmaschinen (1), z.B. Gasturbinen, erzeugt wird und wobei die von den Verbrennungskraftmaschinen (1) erzeugten Abgase mittels des Wasserstrahls des Waterjets (22) unter dem Schiff im Wasser verteilt werden, wobei die Geschwindigkeit des Wasser-strahles des Waterjets entsprechend den Anforderungen der Abgaseinleitung und -verteilung eingestellt wird.

Description

Beschreibung
Schnelles, durch mindestens einen Waterjet angetriebenes, Schiff ohne Abgasfahne
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren und eine Antriebseinrichtung für ein großes Wasserfahrzeug, z.B. für ein schnelles, militärisches, Uberwasserschiff, das mindestens einen Wasserstrahlantrieb (Waterjet) unter dem Schiff aufweist, wobei die Vortriebsenergie durch Verbrennungskraftmaschinen, z.B. Gasturbinen, erzeugt wird und wobei die von den Verbrennungskraftmaschinen' erzeugten Abgase mittels des Wasserstrahls des Waterjets unter dem Schiff im Wasser verteilt werden.
Aus der DE 101 41 893 AI ist eine dem Vorstehenden entsprechende Antriebseinrichtung für ein schnelles, militärisches Uberwasserschiff bekannt. Bei dem bekannten schnellen, militärischen Uberwasserschiff ist es erforderlich, das Schiff zunächst auf Marschgeschwindigkeit zu bringen, z.B. durch Elektroenergie aus Brennstoffzellen, und dann den Waterjet-Antrieb zuzuschalten, wobei durch den mit hoher Leistung betriebenen Waterjet eine Verteilung der Abgase der Verbrennungskraftmaschinen im Wasser erreicht wird. '
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren und eine
Antriebseinrichtung für ein großes Wasserfahrzeug, auch für ein großes ziviles Wasserfahrzeug, z.B. eine schnelle Fähre, eine große Yacht o.a., anzugeben, bei dem auch ohne den Einsatz von Elektroenergie zum Erreichen der Marsch (Normalfahrt) -Geschwin- digkeit ein nicht detektierbarer Betrieb ohne Abgasfahne bzw. emissionsfrei, erreicht werden kann. Dabei soll der Antriebswirkungsgrad unvermindert sein und der Schiffswiderstand gesenkt werden. Dies erfolgt durch die Einbringung von Abgasblasen in die Grenzschicht des Schiffsrumpfs.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahles des Waterjets entsprechend den Anforde- rungen der Abgaseinleitung und -Verteilung eingestellt wird. Dadurch, dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahls des Waterjets entsprechend den Anforderungen der Abgaseinleitung und - Verteilung eingestellt wird, und nicht mehr, wie bisher bei Wa- terjets üblich, entsprechend den Anforderungen der Schiffsgeschwindigkeit, ist es vorteilhaft überraschend möglich, auch bei niedrigen Geschwindigkeiten und ggf. sogar im Stillstand des Schiffes, einen Austrag der Abgase unter dem Schiff zu erreichen. Durch den Austrag der Abgase unter dem Schiff auch bei kleinen Schiffsgeschwindigkeiten oder beim Anfahren des Schiffes ergibt sich auch für Schiffe, die keinen Elektroantrieb aufweisen, sehr vorteilhaft die Möglichkeit, diese bei allen Geschwindigkeiten ohne Abgasfahne zu betreiben. So wird bei Marine (Navy) -Schiffen die Ortung durch z.B. Infrarotsensoren er- heblich erschwert und - besonders wichtig für Schiffe mit anspruchsvollen Passagieren - erreicht, dass sich im Hinterschiffsbereich keine Abgase finden und ebenfalls ein Rußniederschlag von Dieselmotoren mit Sicherheit vermieden wird. Sowohl für Marine (Navy) -Schiffe als auch für zivile Schiffe ergeben sich so erhebliche Vorteile beim Betrieb der Schiffe.
Es ist dabei vorgesehen, dass das Wasserfahrzeug mindestens einen elektrisch angetriebenen Wasserstrahlantrieb aufweist, wobei die Elektroenergie zumindest teilweise durch von Verbren- nungskraft aschinen, z.B. Gasturbinen, angetriebene Generatoren erzeugt wird. So können die Antriebskomponenten besonders günstig im Schiff angeordnet werden und im Teillastbereich wirkungsvoller eingesetzt werden. Es ist so möglich, den Waterjet weit vorn im Schiff anzuordnen, z.B. am Beginn des parallelen Rumpfverlaufs . So ergibt sich vorteilhaft, dass fast der gesamte Rumpf vom durch den Waterjet erzeugten Gas-Wasser-Gemisch reibungsmindernd umströmt wird.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgas- einleitung in das Wasser unter dem Schiff ohne Erhöhung (Verdichtung) des Abgasdruckes erfolgt. So kann vorteilhaft auf die Installation von Verdichtern oder Abgas-Ejektoren für die Ein- leitung der Abgase in das Wasser verzichtet werden. Auch der Wirkungsgrad der Antriebsanlage wird nicht durch den Energiebedarf der Verdichter oder Ejektoren vermindert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Wasserstrahlgeschwindigkeit am Ausgang des Wasserstrahls aus dem Waterjet ein Unterdruckgebiet mit einem Druck, welcher unterhalb des Abgasdruckes liegt, erzeugt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, sogar den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen zu steigern, der ja in der Regel von dem Abgas-Gegendruck abhängig ist.
Es ist weiterhin in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahles des Waterjets unab- hängig von der Schiffsgeschwindigkeit einstellbar ist. Bei den herkömmlichen Waterjets ist die Geschwindigkeit des von den Waterjets ausgestoßenen Wasserstrahls nicht von der Schiffsgeschwindigkeit unabhängig. Dies könnte dazu führen, dass die von den Verbrennungskraftmaschinen erzeugte Abgasmenge im Teillast- bereich nicht ausgetragen werden kann, da das Schiff zu langsam fährt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird dies verhindert.
In Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahles des Waterjets durch Veränderung des Querschnittes des Wasserstrahles eingestellt wird. So ist eine besonders vorteilhaft einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens möglich.
Die Geschwindigkeit des Wasserstrahls des Waterjets kann auch durch eine gesteuerte Veränderung der Geschwindigkeit des den Waterjet durchströmenden Wassers eingestellt werden, z.B. durch veränderte Rotorgeschwindigkeiten, aber besonders vorteilhaft dadurch, dass die Veränderung der Geschwindigkeit des den Wa- terjet durchströmenden Wassers über Verstellelemente, insbesondere über geregelt anstellbare Verstellschaufeln des Waterjet- rotors, erfolgt. Durch geregelt anstellbare Verstellschaufeln des Waterjetrotors ist es sogar möglich, dass bei Anfahren des Schiffes bereits ein ausreichend schneller Wasserstrahl für das Abführen der Abgase erzeugt wird. So ist auch ein abgasfahnen- freies Anfahren des Schiffes allein durch einen von einer Ver- brennungskraftmaschine angetriebenen Waterjet möglich, dies bei hohem Wirkungsgrad. Die Einleitung der Abgase in das Wasser wird dabei von der Schiffsgeschwindigkeit völlig unabhängig und es sind abgasfahnenfrei anfahrende, nicht über gespeicherte o- der generierte elektrische Energie verfügende Schiffe, ausführ- bar. Dies ist insbesondere für „Low cost -Schiffe wichtig.
Die Einstellung der Geschwindigkeit des Wasserstrahls des Waterjets erfolgt besonders vorteilhaft durch eine gesteuerte Querschnittsveränderung des Wasserstrahls, z.B. über eine quer- schnittsveränderliche Düse am Wasserstrahlaustritt. Dies ist eine mechanisch besonders einfache Lösung. Ein besonders günstiges Betriebsverhalten ergibt sich dabei, wenn die Querschnittsveränderung durch im Wasserstrahlinneren angeordnete Leitelemente, z.B. axialverschiebbare Rohrabschnitte, erfolgt. So ist trotz der Leitelemente eine reibungsarme und verwirbe- lungsarme Ausbildung des Wasserstrahls möglich. Gleichzeitig ergibt sich eine mechanisch besonders einfache und robuste Lösung.
In einer anderen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querschnittsveränderung durch außen am Wasserstrahl angeordnete Leitelemente, z.B. Klappen, erfolgt. Die Klappen, die sowohl senkrecht zur Wasserstrahlausbildung als auch diesen wie eine Irisblende umfassend ausgebildet sein können, können ein- fach mechanisch oder hydraulisch bewegt werden. Von besonderem Vorteil ist, dass dem Wasserstrahl auch ein von einer Kreisform abweichender, geregelt eingestellter Querschnitt gegeben werden kann, insbesondere ein Quadrat- oder Rechteckquerschnitt, z.B. durch eine entsprechende Austrittsdüsenform und -große, die der Schiffsform hydrodynamisch optimal (Geräusch und Schiffswiderstand) angepasst werden kann. So ist es möglich, eine dem jeweiligen Schiffstyp angepasste Wasserstrahlform zu realisieren, z.B. für flach gehende Schiffe ein Wasserstrahl in flacher Form, ohne die Vorteile der unabhängig von der Schiffsgeschwindigkeit geregelten Geschwindigkeit des Wasserstrahls zu verlassen.
Es ist im Rahmen der Erfindung weiterhin vorgesehen, dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahls des Waterjets zwischen Grenzwerten eingestellt wird, die unabhängig von der Schiffsgeschwindigkeit sind. Durch die Vorgabe von Grenzwerten, z.B. für die Minimalgeschwindigkeit des Wasserstrahls, kann erreicht werden, dass die Abgase mit Sicherheit in ausreichender Menge ausgetragen werden, auch wenn das Schiff nur langsam in Fahrt ist. Der obere Grenzwert ergibt sich vorteilhaft durch eine freie Ausströmung des Wasserstrahls bei höchst möglicher Was- ser enge.
Im Rahmen der Ausführung der Erfindung ist eine Antriebseinrichtung zur Durchführung des Betriebsverfahrens für ein Wasserfahrzeug mit einem unter dem Schiff angeordneten Waterjet vorgesehen, wobei am Austritt des durch den Waterjet erzeugten Wasserstrahls eine von dem Waterjet-Antriebsstrahl axial durchströmte Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung, z.B. eine im wesentlichen rund ausgebildete Kammer zum Einleiten der Abgase in das Wasser unter dem Schiff, angeordnet ist. Mit der vorge- sehenen Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung, in der ein in Abhängigkeit von der Abgasmenge regelbarer Waterjet-Wasser- strahl vorhanden ist, kann vorteilhaft einfach die Erfindung realisiert werden. Unter allen Fahrtbedingungen des Schiffes ist eine sichere Einleitung der Abgase in das Wasser und ihre Verteilung derart, dass die Abgase, in der Grenzschicht fein verteilt, den Schiffswiderstand vermindern.
Es ist in Ausbildung der Erfindung dabei vorgesehen, dass die Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung zum Einleiten der Ab- gase in das Wasser als koaxiales Abgasdüsensegment ausgebildet ist. Durch ein koaxiales Abgasdüsensegment, d.h. ein Düsensegment, das in Bezug auf den Abgasraum, der den Wasserstrahl des Waterjets umgibt, koaxial ausgebildet ist, ist die Erfindung besonders vorteilhaft ausführbar.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass in der Unterwasser-Abgas-Ein- leitungseinrichtung ein im Querschnitt verstellbares Mitten- Element, z.B. eine Teleskopvorrichtung, die die Einstellung der Wasserstrahlgeschwindigkeit in der Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung bewirkt, angeordnet ist. So ergibt sich ein koaxiales Abgasdüsensegment mit besonders gutem Wirkungsgrad und in robuster Ausführung. Seine Funktion ist derart, dass auch bei einer Veränderung des Wasserstrahlquerschnitts kein erhöhtes Düsengeräusch auftritt. Dies ist insbesondere für Marine (Navy) -Schiffe von Bedeutung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung ein im Querschnitt verstellbares Außenelement, z.B. eine steuerbare Blende, angeordnet ist. Das Außenelement zur Einstellung des Wasserstrahl- Querschnitts kann auch in Kombination mit dem Innenelement ein- gesetzt werden und erlaubt in einfacher mechanischer Ausführung, z.B. in Form einer hebelbetätigten Versteileinrichtung, die erfindungsgemäße Querschnittsverringerung des Waterjet- Wasserstrahls .
Sowohl das Innen- als auch das Außenelement können durch die bekannten Waterjet-Umlenkungsschaufein zur Einstellung der Wasserstrahlrichtung oder auch zur Umkehrung ergänzt werden. Hierdurch wird der erfindungsgemäße Austrittseffekt für die Abgase nicht beeinträchtigt.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung weist ein Rohrsystem für die Abgase in das koaxiale Abgasdüsensegment auf, in dem vorteilhaft zumindest eine gegendruckgesteuerte Rückschlagklappe vorhanden ist. Hierdurch kann verhindert werden, dass bei einem Stopp des Schiffes Wasser in das Rohrsystem und damit auch in die Verbrennungskraftmaschinen zurückschlägt. Außer dieser Rückschlagklappe weist das Rohrsystem vorteilhaft noch gesteuerte Absperrorgane, z.B. Klappen oder Schieber, auf, die vom Gegendruck unabhängig sind und insbesondere im Hafen oder bei Fahrt mittels eines Propellerantriebs eingesetzt werden.
Die Wandungen und/oder Schaufeln des Waterjets weisen vorteilhaft ggf. einen Überzug aus elastomerem Material auf. Dies kann z.B. Hartgummi, aber auch ein faserverstärktes Kunststoffmaterial sein. Hierdurch werden sowohl Kavitationserscheinungen verhindert, als auch eine Geräuschdämmung des austretenden Was- serstrahls erreicht. Entsprechende Überzüge sind aus dem Gebiet der Kreiselpumpen bekannt, es ist aber neu, diese auch für Waterjets vorzusehen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung zumindest einen vorzugsweise einfahrbaren Ruderpropeller oder Cycloidalpropeller als Steuer- und Vortriebsorgan des Schiffes aufweist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, auf Verstellschaufeln im Waterjet zu verzichten, da der Ruderpropeller das Schiff auf derartige Geschwindigkeiten bringen kann, dass der Waterjet mit optimalem Wirkungsgrad in einem guten Verhältnis zwischen Einlauf- und Auslaufdruck arbeitet. So ergibt sich ohne weiteres das vorteilhaft vorgesehene Unterdruckgebiet am Waterjet-Wasserstrahlaustritt . Zum Betrieb des Ruderpropellers oder Cycloidalpropellers ist vorgese- hen, dass bei elektrischen Antrieben die Antriebseinrichtung z.B. neben einem Generator zumindest eine weitere elektrische Energiequelle, z.B. Akkumulatoren oder Brennstoffzellenanlagen, aufweist, die ein abgasfreies Führen des Schiffes ermöglichen. Bei kleineren Schiffen kann der Ruderpropeller auch einziehbar im Bugbereich angeordnet werden. Dann kann der übliche „Bow thruster* entfallen.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass eine Verbrennungskraftmaschinen zum Anfahren des Wasserfahrzeuges eine wahlweise einschalt- bare Abgasleitung in das Wasser oder in die Atmosphäre aufweist. Zur Steuerung und Regelung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist es vorgesehen, dass in der Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung zur Zuführung der Abgase zum Wasserstrahl des Waterjets Sensoren zur Druckmessung vorhanden sind; des- gleichen sind Sensoren zur Druckmessung im Abgasrohrsystem vorgesehen. So kann mit einfachen und robusten Sensoren ein sicherer Betrieb erreicht werden.
Vorteilhaft ist für die Steuerung und Regelung des Wasser- Strahls in Abhängigkeit von der Abgaseinleitung ein Automatisierungssystem mit Automatisierungseinrichtungen vorhanden, das die Bedienungsmannschaft des Schiffes entlastet und Schaltfehler verhindert. Des Weiteren kann über Rampenfunktionen eine abgestimmte Steuerung der einzelnen Komponenten des Antriebs erreicht werden.
Das Automatisierungssystem wirkt erfindungsgemäß nicht nur auf die Elemente am Waterjet, die die Waterjet-Geschwindigkeit und die Druckverhältnisse beeinflussen, sondern auch auf die Ver- Stellelemente und Verschlusselemente im Abgasrohrsystem. Das Automatisierungssystem wird vorteilhaft „vor Ort* angeordnet. Es u fasst unter anderem die Automatisierung der Verbrennungskraftmaschine (Gasturbine oder Dieselmotor) , des Generators und des Waterjets sowie des Abgasrohrsystems. Es steuert und regelt vorteilhaft sowohl die Betriebsbereitschaft (z.B. Drücke und Temperaturen), das Anlaufen und den Betrieb (z.B. Drehzahlen und Positionen von Stellorganen) sowie die benötigten elektrischen Schalt- und Stelleinrichtungen (z.B. Leistungsschalter, AC-AC- oder AC - DC-Steller) . Um eine Redundanz zu erreichen ist dabei vorgesehen, dass sich ein entsprechendes zweites Automatisierungssystem zumindest teilweise in der Gesamtantriebsautomatisierung befindet. So ergibt sich eine vorteilhafte vollständige Automatisierung der Antriebseinrichtung in Bezug auf den Waterjet als Antriebskomponente.
In Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Wärme der Abgase über ein Wärmetauschersystem für weitere Betriebseinrichtungen, z.B. zur Erzeugung von warmem Wasser und/oder zur Meerwasserentsalzung genutzt wird. So kann vorteilhaft an Bord des jeweiligen Schiffes die hierfür benötigte Energie reduziert werden.
Die Antriebseinrichtung gemäß der Erfindung wird z.B. in erster Linie nach der Geschwindigkeitsanforderung des Schiffes gesteuert. Dabei wird bei Schiffen mit einem oder mehreren elektrischen Ruderpropellern im Heckbereich, die bei relativ niedri- gen Geschwindigkeiten den Vortrieb, der für die gewünschte
Schiffsgeschwindigkeit notwendig ist, liefern, auch ein gleichzeitiger Betrieb der Waterjets vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch der durch die Anordnung der Waterjets an der Schiffsunterseite erhöhte Schiffs-Form-Widerstand ausgegli- chen werden kann. So ergibt sich kein negativer Einfluss der durch die Waterjets erforderlichen Rumpfformänderung. Vorteilhaft wird ein Mitlaufen der Waterjets bei Schiffen, die außer den Waterjets auch noch elektrische Ruderpropeller oder einen elektrischen einfachen Propellerantrieb aufweisen, zumindest von dem Geschwindigkeitsbereich 2 bis 3 Kn an vorgesehen. Ab dieser Geschwindigkeit ist es auch möglich, den für die Abgaseinleitung erforderlichen Unterdruck bzw. Null-Druck durch Verringerung des Querschnitts des Waterjet-Wasserstrahls zu erreichen, ohne mit Verstellschaufeln im Waterjet arbeiten zu müs- sen.
Für den Einsatz der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung bei Schiffen ohne elektrischen Ruderpropeller oder ohne üblichen elektrischen Propellerantrieb brauchen auch ab 2 bis 3 kn die Verstellschaufeln des Waterjet-Rotors nicht mehr auf Saugstellung, wie beim Anfahrvorgang, gestellt werden, sondern es kann mit der normalen Vortriebsstellung der Waterjet-Rotorschaufein gearbeitet werden. Die Waterjet-Verstellschaufeistellung kann daher auf den Vortrieb optimiert werden.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, weitere erfinderi- sehe Ideen ersichtlich sind. Die Zeichnungen sind als Ergänzung der Figuren 1 und 2 aus der als Stand der Technik genannten Of- fenlegungsschrift zu verstehen.
Im Einzelnen zeigen die Zeichnungen in
FIG 1 die Abgasführung einer Antriebseinrichtung in Bezug auf den Waterjet und in
FIG 2 ein Beispiel für die Anordnung eines Wasserstrahl-
Querschnitts-Veränderungselements im Waterjet sowie in
FIG 3 eine Prinzipskizze mit den Ein- und Ausgangsgrößen am Waterjet.
In FIGUR 1 ist mit 1 eine Verbrennungskraftmaschine, hier z.B. eine Gasturbine des Typs LM2500 der Firma MTU, bezeichnet. Die Gasturbine treibt einen Generator 2 an, hier z.B. einen 16MW- Generator. Mit 3 ist das koaxial arbeitende Düsensegment be- zeichnet, in dem der schematisch angedeutete Wasserstrahl 5 das den Wasserstrahl koaxial umgebende Abgas mitreißt. Der Wasserstrahl 5 wird durch den Rotor 4 erzeugt, der z.B. durch eine Rotorwelle angetrieben wird. Der Doppelpfeil 6 symbolisiert die Verstellbarkeit des Querschnitts am Ausgang des Waterjets, um diesem auch bei kleinen Fahrtstufen des Schiffs die notwendige Geschwindigkeit zu verleihen, um das Abgas aus dem Raum des Waterjet-Austritts herauszufordern. Dabei kann die Geschwindigkeit des austretenden Wasserstrahls durch eine entsprechende Querschnittsverringerung so hoch eingestellt werden, dass sogar im Raum 3 ein Unterdruck entsteht. Auf jeden Fall kann ein
Druck 0 bar eingestellt werden, so dass die Gasturbine oder ein Dieselmotor anstelle der Gasturbine, keinen Wirkungsgradverlust gegenüber einem freien Austritt der Abgase in die Atmosphäre aufweist. Die Abgase der Gasturbine 1 werden durch die Leitung 9, die vorzugsweise bei der Verwendung von Twin-Waterjets unmittelbar vor den Waterjets verzweigt ausgebildet ist, zu koaxial arbeitenden Düsensegmenten geführt. In der Abgasleitung 9 befinden sich am Ende Absperrventile 7 und 8, bei denen es sich um Rückschlagklappen oder um gesteuerte Klappen handelt, um ein Zurückschlagen des Wassers, das den Schiffsrumpf umgibt, in die Leitung bei Stillstand zu verhindern. Hier können auch, ebenso wie in dem Bereich des Austritts des Wasserstrahls aus dem Waterjet, Drucksensoren angeordnet sein, die der Regelung des Abgasdrucks in den jeweiligen Bereichen durch Veränderung der Austrittsgeschwindigkeit des Waterjet-Strahls bzw. des Austrittsquerschnitts aus der Leitung 9 dienen.
Ergänzt werden können die Drucksensoren noch durch weitere Sensoren, wie Wassereinbruchsmelder, Ventilstellungssensoren etc. Die Sensorsignale werden dem nicht näher gezeigten Automatisierungssystem aufgegeben, das z.B. auch Anfahrrampen für die Gas- turbine, für die Pumpen des Wärmetauschers 11 und für den
Stellmotor des Hauptabsperrschiebers 10 aufweist. Darüber hinaus weist das Automatisierungssystem die üblichen Komponenten für einen Schiffsantrieb auf, so dass ein autonom arbeitsfähiges Subsystem der Schiffsautomatisierung entsteht. Dieses Sub- System ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass sich zusammen mit der Verbrennungskraftmaschine, dem Generator und dem Waterjet sowie den für diese erforderlichen Rohrleitungen etc. eine Schiffsausrüstungskomponente ergibt, die im wesentlichen unverändert für unterschiedliche Schiffstypen und Schiffsgrößen ein- gesetzt werden kann. Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn diese Antriebseinheit in vorgefertigter Form bei der Kiellegung in das Schiff eingebaut wird. Die Zahl der eingebauten Schiffsausrüstungskomponenten ist dabei von der Schiffsgröße abhängig.
In FIGUR 2 bezeichnet 12 die Rotorschaufeln, die auf einer Rotornabe 15 angeordnet sind. Die Rotornabe 15 kann in nicht näher ausgeführter Weise angetrieben werden, z.B. durch eine von vorn angreifende Antriebswelle 23. Sie kann aber auch ebenso als Innenläufer ausgebildet sein, wobei der Antrieb durch Wicklungen 16, die schematisch angedeutet sind, erfolgt. Außer einer Nabe 14 weist der Stator noch die Statorschaufeln 13 auf, die ggf. für ein besseres Anfahrverhalten des Schiffes, falls kein separater Propellerantrieb im Heck oder im Bug zur Verfügung steht, ebenso wie die Rotorschaufeln 12 als Verstellschaufeln ausgebildet sind und insofern die vorgesehene Schaufelver- Stellung für einen anfahrfähigen Waterjet ergänzen.
Ausgangsseitig weist die Statornabe 14 hydraulisch betätigbare Rohrelemente 17 auf, die unterschiedlich weit ausgefahren werden können und den Querschnitt im Ringraum 22 derart verklei- nern, dass die Wassergeschwindigkeit groß genug ist, um die Abgase der Verbrennungskraftmaschine, die durch die Rohrleitung 18 in den Ringraum 22 eintreten, mitzuführen. Die Verstellbarkeit der Verstellelemente 17 ist durch den dick gezeichneten Doppelpfeil 20 angedeutet.
Außen wird der Ringraum 22 durch Wände 21 abgeschlossen, in die z.B. noch Ringblenden eingebaut sein können, um eine Außenverstellung des Austrittsquerschnitts des Wassers aus dem Waterjet zu erreichen. Eine derartige Verstellung kann durch eine Iris- blende erfolgen, die rohrabschnittsförmige gegeneinander ver- schiebliche Segmente enthält. Auch ein Außenkegel, der nach der Eintrittsseite des Wassers hin verschoben wird, erzielt eine entsprechende Wirkung. Die Innenkontur des Außenkegels kann in etwa der Kontur der äußeren Ringraumbegrenzung entsprechen.
Die Einströmung des Wassers ist durch den Pfeil 19 angedeutet, sie kann sich sowohl aus der Fahrt des Schiffes durch das Wasser ergeben, als auch durch eine Saugwirkung des Waterjets, die entsteht, wenn die Rotor- und ggf. die Statorschaufeln entspre- chend angestellt sind. Die Rohrleitungsdurchmesser, die Abstände im Waterjet, die Schaufelprofile, die Ausbildung der Elemente, die den austretenden Wasserstrahl querschnittsverändern, sind aufeinander abgestimmt und für jede Antriebseinrichtung spezifisch. Vorzugsweise werden daher die Antriebsrichtungen als autonom arbeitsfähige Einrichtungen ausgebildet, die dann in unterschiedlicher Zahl, z.B. einzeln oder paarweise, einem jeweiligen Schiffstyp zugeordnet werden. Gemeinsam ist allen Ausbildungen, dass eine vollständige Ableitung der Abgase in das Wasser und eine gleichmäßige Verteilung der Abgase unter dem Schiff derart erfolgt, dass eventuell gebildete Abgasblasen im Wasser erst hinter dem Heck, bei hohen Fahrtstufen sogar sehr weit hinter dem Heck, auftauchen. Entsprechend ergibt- sich für Infrarotsensoren und optische Sensoren, die auf das Detek- tieren von Abgasen von Schiffen eingerichtet sind, keine Möglichkeit, das erfindungsgemäß ausgerüstete Schiff zu detektie- ren.
In FIGUR 3 bezeichnet 25 einen längsgeschnittenen Waterjet mit der Eintrittsebene II und der Austrittsebene I für das den Waterjet durchströmende Wasser. Die Druck- und Geschwindigkeits- Verhältnisse am Waterjet lassen sich durch die Massenerhal- tungsgleichung und die integrierte Impulsgleichung beschreiben. Hierüber kann der Fachmann die erforderlichen Geschwindigkeiten und Strahlquerschnitte im Waterjet berechnen. Die Anwendung der Gleichungen ergibt sich aus dem Berechnungsbeispiel, das auf FIGUR 3 Bezug nimmt. Eine Beispieltabelle zeigt den erfindungs- gemäß wichtigen Geschwindigkeitsbereich. Wie sich ergibt, ist die Austragsleistung des Wasserstrahls so groß, dass jede sich im praktischen Betrieb ergebende Abgasmenge sicher ausgetragen werden kann.
Berechnung der Drücke in der Austrittebene der Strahles des Waterjetantriebes
Ausgangdaten für eine Beispielrechnung
Dichte p 1025 Kg/m3
Eintrittsebene I
Durchmesser Dr 1,144 m
Querschnittsfläche Aτ 1,02787885 m2 Austrittsebene II Durchmesser Du 0,88
Querschnittsfläche An 0,60821234 2
Wassertiefe 6 m
Hydrostatischer Druck 60331,5 Pa
Verwendete Gleichungen sind:
1. Die Massenerhaltungsgleichung zwischen der Ebene I und Ebene II des Wasserstrahlantriebs
2. die integrierte Impulsgleichung
T+Px Ai- Pn An=pn AIΣ V„ V„ -pi Aτ Vτ Vz
wobei
Vi: mittlere Geschwindigkeit in der Eintrittsebene m/s
Pi mittlerer dynamische Druckanteil in der Eintrittsebene Pa
Vn: mittlere Geschwindigkeit in der Austrittsebene m/s Pn mittlerer dynamischer Druckanteil in der Austrittsebene Pa T : der erzeugte Schub N
Beispielrechnung
Spalte berechneter Wert
1 Schiffsgeschwindigkeit in kn
2 Schiffsgeschwindigkeit in m
3 mittlere Geschwindigkeit in der Austrittsebene m/s, berechnet für eine feste Querschnittfläche des Austritts, (Au=0, 60821234 m2 )
4 der erzeugte Schub für ein Beispielschiff in N mittlerer dynamischer Druckanteil an der Austrittsebene in Pa mittlerer Gesamtdruck (hydrostatisch + dynamisch) an der Austrittsebene in Pa
Benötigte Querschnittfläche für einen negativen Gesamtdruck in m2 mittlere Geschwindigkeit der Austrittsebene m/s mittlerer dynamischer Druckanteil an der Austrittsebene in Pa 0 mittlerer Gesamtdruck (hydrostatisch + dynamisch) an der Austrittsebene in Pa 1 berechneter Durchmesser der Austrittsebene in m 2 berechnete notwendige Verkleinerung des Durchmessers der Austrittsebene 3 berechnete Durchflussmenge kg/s
Spalte 10 zeigt, dass ab 2 Knoten sind negative Drücke in der Austrittsebene des Antriebes. Die berechnete Durchflussmenge in Spalte 13 sind deutlich höher als die minimale erforderliche Durchflussmenge um die Abgase zu transportieren.

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsverfahren und Antriebseinrichtung für ein großes Wasserfahrzeug, z.B. für ein schnelles, militärisches, Überwas- serschiff, das mindestens einen Wasserstrahlantrieb (Waterjet) unter dem Schiff aufweist, wobei die Vortriebsenergie durch Verbrennungskraftmaschinen, z.B. Gasturbinen, erzeugt wird und wobei die von den Verbrennungskraftmaschinen erzeugten Abgase mittels des Wasserstrahles des Waterjets unter dem Schiff im Wasser verteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahles des Waterjets entsprechend den Anforderungen der Abgaseinleitung und -Verteilung eingestellt wird.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Wasserfahrzeug mindestens einen durch Elektroenergie angetriebenen Wasserstrahlantrieb aufweist, wobei die Elektroenergie zumindest teilweise durch von Verbrennungskraftmaschinen, z.B. Gas- turbinen, angetriebene Generatoren erzeugt wird.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgaseinleitung in das Wasser unter dem Schiff ohne Erhöhung des Ab- gasdruckes (Verdichtung) erfolgt.
4. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch die Wasserstrahlgeschwindigkeit am Ausgang des Wasserstrahles aus dem Waterjet ein Unterdruckgebiet mit einem Druck, welcher unterhalb des Abgasdruckes liegt, erzeugt wird.
5. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ge- schwindigkeit des Wasserstrahls des Waterjets unabhängig von der Schiffsgeschwindigkeit einstellbar ist.
6. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahles des Waterjets durch Veränderung des Querschnittes des Wasserstrahles eingestellt wird.
7. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahls des Waterjets durch eine gesteuerte Veränderung der Geschwindigkeit des den Waterjet durchströmenden Wassers eingestellt wird.
8. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Veränderung der Geschwindigkeit des den Waterjet durchströmenden Wassers über Verstellelemente, insbesondere über geregelt anstellbare, Verstellschaufeln des Waterjet-Rotors, erfolgt.
9. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahles des Waterjets durch eine Querschnittsveränderung des Wasserstrahls, z.B. über eine querschnittsveränderliche Düse am Wasserstrahlaustritt, an dem Waterjet eingestellt wird.
10. Betriebsverfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Querschnittsveränderung durch im Wasserstrahlinneren angeordnete Leitelemente, z.B. axial verschiebbare Rohrabschnitte, erfolgt.
11. Betriebsverfahren nach Anspruch 9 oder 10; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Querschnittsveränderung durch außen am Wasserstrahl angeordnete Leitelemente, z.B. Klappen, erfolgt.
12. Betriebsver ahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Wasserstrahl ein von einer Kreisform abweichender, geregelt einge- stellter, Querschnitt gegeben wird, insbesondere ein Quadratoder Rechteckquerschnitt, z.B. durch eine entsprechende Austrittsdüsenform und -große.
13. Betriebsverfahren nach einem oder mehreren der vorherge- henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Geschwindigkeit des Wasserstrahls des Waterjets zwischen Grenzwerten eingestellt wird, die unabhängig von der Schiffsgeschwindigkeit sind.
14. Antriebseinrichtung zur Durchführung des Betriebsverfahrens für ein Wasserfahrzeug mit einem unter dem Schiff angeordneten Waterjet, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass am Austritt des durch den Waterjet (22) erzeugten Wasserstrahls (5) eine von dem Waterjet-Antriebsstrahl Axial durchströmte Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung, z.B. eine im wesentlichen rund ausgebildete Kammer zum Einleiten der Abgase in das Wasser unter dem Schiff, angeordnet ist.
15. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kammer zum Einleiten der Abgase in das Wasser als koaxiales Abgasdü- sensegment (3) ausgebildet ist.
16. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Kammer ein im Querschnitt verstellbares Mittenelement, z.B. ei- ne Teleskopvorrichtung (7) , die die Einstellung der Wasserstrahlgeschwindigkeit in der Kammer bewirkt, angeordnet ist.
17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Kammer ein im Querschnitt verstellbares Außenelement, z.B. eine steuerbare Blende, angeordnet ist.
18. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, 15, 16 oder 17, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Rohrsystem (9), welches die Abgase in das koaxiale Abgasdüsensegment (3) leitet, eine vom Gegendruck gesteuerte Rückschlagklap- pe (7, 8) aufweist.
19. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass die Wan- düngen und/oder Schaufeln des Waterjets (22) einen Überzug aus elastomerem Material, z.B. Hartgummi, oder aus faserverstärktem Kunststoff aufweist.
20. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zumindest einen vorzugsweise einfahrbaren Ruderpropeller oder Cyc- loidalpropeller als Steuer- und Vortriebsorgan des Schiffes, vorzugsweise im Heckbereich, aufweist.
21. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass außer zumindest einem Generator (2) zumindest eine weitere elektrische Energiequelle, z.B. Akkumulator- oder Brennstoffzellenanlagen, vorhanden sind, die ein emissionsfreies Bewegen des Schiffes ermöglichen.
22. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Verbrennungskraftmaschine zum Anfahren des Wasserfahrzeuges ei- ne wahlweise einschaltbare Abgasleitung in das Wasser oder in die Atmosphäre aufweist.
23. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Unterwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung des Waterjets (22) Sensoren zur Druckmessung angeordnet sind.
24. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Abgasrohrsystem (9) Sensoren zur Druckmessung angeordnet sind.
25. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie eine Automatisierungseinrichtung aufweist, die den Wasserstrahlquerschnitt in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in der Un- terwasser-Abgas-Einleitungseinrichtung / im Abgasrohrsystem (9) steuert.
26. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie eine Automatisierungseinrichtung aufweist, die Verstellelemente am oder im Waterjet (22), z.B. Verstellschaufeln im Waterjet (22), in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in der Unterwasser- Abgas-Einleitungseinrichtung / im AbgasrohrSystem (9) steuert.
27. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie eine Automatisierungseinrichtung für die Steuerung von Klappen (10) im Abgasrohrsystem aufweist.
28. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wärme der Abgase über ein Wärmetauschersystem (11) für weitere Betriebseinrichtungen, z.B. zur Erzeugung von warmem Wasser oder zur Meerwasserentsalzung, genutzt wird.
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