WO2006079421A1 - U-boot mit unterwasser-abgasausleitung bei schnorchelfahrt - Google Patents

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WO2006079421A1
WO2006079421A1 PCT/EP2005/052707 EP2005052707W WO2006079421A1 WO 2006079421 A1 WO2006079421 A1 WO 2006079421A1 EP 2005052707 W EP2005052707 W EP 2005052707W WO 2006079421 A1 WO2006079421 A1 WO 2006079421A1
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WO
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submarine
water
negative pressure
mixing device
pressure
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PCT/EP2005/052707
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Stefan Jungnitz
Moustafa Abdel-Maksoud
Hannes Schulze Horn
Rainer Hartig
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • B63G8/00Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08Propulsion
    • B63G8/12Propulsion using internal-combustion engines
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    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H20/00Outboard propulsion units, e.g. outboard motors or Z-drives; Arrangements thereof on vessels
    • B63H20/24Arrangements, apparatus and methods for handling exhaust gas in outboard drives, e.g. exhaust gas outlets
    • B63H20/245Exhaust gas outlets
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/32Arrangements of propulsion power-unit exhaust uptakes; Funnels peculiar to vessels
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    • B63GOFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G13/00Other offensive or defensive arrangements on vessels; Vessels characterised thereby
    • B63G13/02Camouflage
    • B63G2013/022Camouflage using means for reducing noise emission into air or water

Definitions

  • the exhaust gas outlet takes place uncontrolled and unregulated by free cross sections in the jacket tube of the formed exhaust gas snorkel mast head.
  • the disadvantage here is the large volume of the exhaust gas snorkel mast with a correspondingly high water resistance.
  • the mixing of exhaust gas and water is not so fine that exhaust gas bubbles can not rise to the surface of the water, where they form an exhaust veil that can betray the submarine.
  • a certain exhaust gas outlet resistance is to be overcome from the supercharged diesel.
  • the solution of the problem arises from the claim 1.
  • the required for the solution Unterbucherzeu- gungs- and mixing device is known from the non-prepublished European patent application "vacuum mixing device for marine exhaust" (file reference: EP 05100461.2) in their details.
  • the operation of the vacuum generating and mixing device in conjunction with the submarine drive system and the submarine automation system is particularly automated.
  • the integration of the vacuum generating and mixing device in the general submarine driving and automation sys- tem significantly increases the safety of operating the submarine charging diesel with underwater exhaust gas discharge. Independent operation is possible, eg. if first the water flow regulated by the pump or a branch flow from the cooling system of the charging diesel is set to maximum strength and only then the admixture of the exhaust gas takes place, but in the event of malfunctions, an operating state can occur which compromises the safety of the submarine impaired.
  • the integration makes better performance optimization of the charging diesel possible.
  • the startup of the vacuum generating and mixing device takes place in cooperation with the turbocharger control and regulation in a start-up sequence and, correspondingly, the stopping and stopping in a departure sequence.
  • the starting of the vacuum generating and mixing device takes place only after a purging of the water in the device, wherein preferably the purging is carried out by compressed air.
  • the purging is carried out by compressed air.
  • the negative pressure in the negative pressure generating and mixing device is set via a desired value, which is determined from the depth of the exhaust gas outlet opening under water and in particular takes into account the desired charging capacity.
  • a desired value which is determined from the depth of the exhaust gas outlet opening under water and in particular takes into account the desired charging capacity.
  • a superimposed pressure control advantageously by means of a PID controller and a lower-level control loop for the position of a water supply valve or a speed control for the water pump , which sets and holds negative pressure.
  • a device for the controlled and regulated operation of a negative pressure generating and mixing device for the exhaust gases, which connects to the submarine propulsion system and in particular to the submarine Automation system, here eg. to the part for the control and regulation of the supercharger.
  • the device for the controlled and regulated operation of a vacuum generating and mixing device has in particular a superimposed control loop for regulating the negative pressure and a subordinate control loop for controlling the pump speed or a valve in the motive water flow.
  • the requirements for the control of the individual components can be advantageously taken into account, in particular if the control comprises a PID controller which outputs the required control variables very quickly.
  • the device has a computing device for determining the outlet pressure of the gas-water mixture formed and / or the negative pressure in the negative pressure generating and mixing device.
  • This arithmetic unit which is parameterized with the data of the vacuum generating and mixing device, can very advantageously be used to continuously calculate the internal and the outlet pressure of the gas-water mixture formed.
  • a safe control of the vacuum generating and mixing device is possible, which safely takes into account both the operation of the exhaust gas turbocharger and adjusts the required backpressure and prevents an in-flow of the ambient water into the device during operation.
  • a controllable motive water pump or a control valve for the motive water, or a Querterrorismsadaptierbare nozzle is provided for the control. In all cases, there is the possibility to control the negative pressure safely and to regulate that a risk of the charging diesel is excluded.
  • the submarine has a compressed air device for the amount of free-blowing air of the device.
  • a compressed air device for the amount of free-blowing air of the device.
  • both an independent compressed air unit and a unit can be provided which brings the exhaust gases or sucked through the snorkel air to the required Ausblastik. This is then supplied with the appropriate compressor energy.
  • the submarine has a pressure sensor for the water pressure and advantageously a pressure sensor for the exhaust gas pressure before the vacuum generating and mixing device.
  • the water pressure in a submarine is usually determined continuously by sensors, but here it is particularly advantageous if a special, separate pressure sensor for the water pressure at or in the vicinity of the vacuum generating and mixing device is present. Together with a pressure sensor for the exhaust pressure before the device is then reliably the differential pressure that must be achieved by the device.
  • the submarine according to the invention has an arithmetic unit for the sequence of a starting sequence and for a shutdown sequence of the sub-assembly generating and mixing device. This ensures safe startup and shutdown operation.
  • the required adjustment variables can be set particularly quickly, since such a computing device can respond faster than the operating team. This is particularly important when a rapid submergence of the submarine below the snorkel depth is required. It is provided that the computing device is designed to be connected to the general submarine automation device and submarine drive system. Thus, the required, depending on the respective boat maneuver, function of the vacuum generating and mixing device is ensured.
  • the arithmetic unit is connected to the submarine state visualization, in particular to an operating and monitoring station in the context of submarine automation. This results in a simple and rapid monitoring of the function of the vacuum generating and mixing device for the crew at all times, wherein advantageously an existing screen can be used which is not otherwise required.
  • a vacuum generating and mixing device is not only advantageous to use in submarines.
  • the use in surface vessels with underwater exhaust gas discharge from energy production facilities, in particular diesel generator sets or gas turbine generator sets, is of considerable advantage if the exhaust gases are to be ejected well below the waterline. In this case, a water depth of 4 to 6 m can be reached for the Abgasaustechnisch, so that a location of the exhaust gases, which are also still further agitated in the wake of the surface vessel, is practically impossible.
  • the vacuum generating and mixing device is advantageously arranged in the outer shell of the underwater hull on the aft or aft nave.
  • the arrangement of the vacuum generating and mixing device at the foot of the tower or behind the tower is particularly advantageous.
  • the exhaust system need not be changed. Nevertheless, all advantages are achieved.
  • the use of the vacuum generating and mixing device in conjunction with a deeply submerged waterjet is particularly advantageous, since the energy generating device for a deeply submerged waterjet in the
  • FIGURE 1 is a schematic sectional view through the device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a control scheme of the device according to the invention
  • FIGURE 3 is a block diagram for the startup and shutdown and
  • FIGURE 4 is an exemplary schematic representation of a large, sea-going ship, eg. a frigate, with distributed devices according to the invention.
  • Fig. 1 denotes the housing tube of the device, which is also the introduction tube for the mixing and pressurizing (driving) water.
  • 2 designates the exhaust pipe and 3 the invention essential, advantageous central displacement body for exhaust gas with a Abströmkegel for the formed mixture with diffuser effect.
  • the negative pressure area according to the invention forms on the outside of the expansion 4.
  • the water supplied to the mixing and vacuum generating device is symbolized by the arrows 7 and the exhaust gas by the arrow 8.
  • the gas-water mixture formed is symbolized by the double arrow 9.
  • 10 denotes the Gemischausströmrohr.
  • the guide elements 5 and 6 advantageously produce an opposite twist.
  • FIGURE 1 Quite essential for the advantageous function of the mixing and vacuum generating device are the geometric relationships, d. H. the pipe diameter and pipe section lengths in the facility. For this reason, the individual lengths and the main diameter are entered in FIGURE 1.
  • the dimensions in FIGURE 1 have the ratios:
  • the ratios listed in the table are calculated for an exhaust pipe of 250 mm diameter, into which the exhaust gases of a typical, supercharged diesel engine with a capacity of 1300 KW are introduced.
  • the exhaust gas inlet temperature into the device is 90 degrees C according to its inventively provided cooling.
  • 11 designates the vacuum generating and mixing device according to the invention in abstracted form, while the remaining components of the control scheme are shown in the form customary in electrical engineering.
  • 12 designates the seawater inlet and 13 the controllable pump, if necessary.
  • a control valve or a throttle valve 14 is connected downstream.
  • This control valve 14 may also be omitted if the dynamics of the pump 13 is so high that a fast dynamic control, z. B. to compensate for the troughs and wave crests at high swells, is guaranteed.
  • 16 and 17 denote a PID and a PI controller for the pressure control and the position control of the pump 13 or the valve 14.
  • 18 denotes the magnitude (calculation amount) of the negative pressure and 19 the amount of the negative pressure generation water.
  • the individual quantities and input values are linked to one another in the usual way in terms of the control technology, the control scheme being only an advantageous embodiment.
  • 20 denotes the control unit of the two usually present in a submarine charging diesel 21, and 22, the valves for the exhaust stream of the supercharged diesel.
  • FIGURE 3 which shows a block diagram for starting and stopping the vacuum generating and mixing device
  • the tasks that each block has to fulfill are entered in the individual blocks.
  • the startup procedure is preceded by a preparation sequence 30 for the charging diesel.
  • block 31 shows, the pump is started. Subsequently, the exhaust pipe is blown out with
  • Compressed air wherein the compressed air can also be generated, as stated in 32, by sucked through the snorkel air or by exhaust gas compression.
  • blowing out with compressed air is a blow-out with compressed air from a compressed air reservoir, followed by blowing out, according to 33 the start of the respective diesel engine, which is followed by the usual start-up of the diesel engine symbolized by 34.
  • the departure process begins with a symbolized sequence of the stop of the diesel engine, which is performed by the work of the block 36. Subsequently, as indicated in FIG. 37, the exhaust gas line is advantageously blown out or rinsed. As can be seen from FIG. 38, the pump is then switched off and continued in the sequence of the stop diesel engine, symbolized by 39.
  • a proper flawless function of the vacuum generating and mixing device is ensured in connection and compliance with the needs for operation and for the shutdown of the supercharged diesel.
  • FIGURE 4 showing a side view of a modern frigate with power generators distributed throughout the ship
  • 40 denotes an exhaust gas outlet according to the invention in the fore ship
  • 41 an exhaust gas outlet according to the invention in the central nave, which works in conjunction with a water jet 44 and an internal combustion engine generator set 43
  • 42 an exhaust gas outlet device according to the invention in the stern.
  • each in the ship e.g. the frigate shown as an example, but of course also a corvette or a speedboat, arranged energy generating device to be equipped with a vacuum generating and Abgasmisch réelle invention.
  • the frigate shown in FIGURE 4 has as drive a e- lectrical rudder propeller 45, of course, as a drive and a propeller is possible, which is permanently mounted in the stern of the ship.
  • This can be either a diesel direct drive or an electric motor driven propeller drive.
  • the devices 40, 41 or 42 according to the invention are then connected in parallel, since it is sensible for economic reasons to limit themselves to a uniform size of the device according to the invention.
  • the device according to the invention its control options are designed accordingly, can then be driven accordingly parameterized and optimized. Only in very small facilities, eg. for internal combustion engines below a few 100 KW, or for diesel reformers, a correspondingly smaller device will have to be used. However, a reduction of the device is possible without fluidic changes.
  • the method and the device can always be used if a power increase of a diesel engine is desired.
  • the performance of all diesel engines is counter pressure dependent and by the invention, the back pressure - even below atmospheric pressure - can be significantly reduced.

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Abstract

U-Boot oder Überwasserschiff mit, zumindest einem, vorzugsweise aufgeladenen, Ladediesel für die Bootsbatterien, der in U-Bootschnorchelfahrt oder Überwassersch iffnormalfahrt gesteuert und geregelt betrieben wird, wobei die bei dem Betrieb des Ladediesels erzeugten Abgase mit einem dem Umgebungswasser des Schiffs entnommenen, durch eine Pumpe geregelt geförderten Wasserstrom im Zusammenwirken mit einer Unterdruckerzeugungseinrichtung miteinander vermischt und in vermischtem Zustand unter Wasser ausgetragen werden und wobei der Betrieb der gebildeten Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit dem Steuern und Regeln des Ladediesels erfolgt.

Description

Beschreibung
U-Boot mit Unterwasser-Abgasausleitung bei Schnorchelfahrt
Bei Schnorchelfahrt eines U-Boots zum Laden der Bootsbatterien müssen die Abgase des Ladediesels aus dem U-Boot herausgeführt werden . Hierzu ist es bekannt, eine Abgasleitung im oder am Schnorchelmast vorzusehen, aus dem die Abgase derart austreten, dass sie sich nicht mit der angesaugten Frischluft für die Ladediesel vermischen . Nachteilig ist dabei, dass eine Abgasfahne entsteht, die leicht detektierbar ist und das U-Boot verrät . Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, so z .B . aus der DE 103 14 057 B3, die Abgase bereits im noch unter Wasser befindlichen Kopf des Schnorchelmastes auszuführen und dabei gleichzeitig die Wasserreibung am
Schnorchelmastkopf zu verringern . Der Abgasaustritt erfolgt dabei ungesteuert und ungeregelt durch freie Querschnitte im Mantelrohr des gebildeten Abgas-Schnorchelmastkopfs . Nachteilig ist hierbei das große Volumen des Abgas-Schnorchelmastes mit einem entsprechend hohen Wasserwiderstand. Außerdem ist die-Vermischung von Abgas und Wasser nicht so fein, dass nicht Abgasblasen an die Oberfläche des Wassers aufsteigen können, wo sie einen Abgasschleier bilden, der das U-Boot verraten kann . Weiterhin ist ein gewisser Abgas-Austritts-wi- derstand aus dem Ladediesel zu überwinden .
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung für ein U-Boot anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile vermeidet .
Es ist ferner bekannt, U-Boote mit so genannten außenluft-unabhängigen Energieversorgungen, z .B . mit Kreislaufdieseln, auszurüsten . Für diese Kreislaufdiesel ist es bekannt, so z .B . aus der DE 100 61 487 Cl, die Abgase der Kreislaufdie- sei, die im wesentlichen nur CO2 enthalten, mit Hilfe poröser Körper in eine von Außenbordwasser durchströmte Rohrstrecke am U-Boot einzubringen und über die Rohrstrecke abzuführen . Das Ausbringen der Abgase der Kreislaufdiesel erfolgt dabei nicht unerheblich unterhalb der Wasseroberfläche, daher ist zur Überwindung des Drucks des Außenbordwassers eine Pumpe vorgesehen . Eine derartige Ausleitung ist nur für die gerin- gen Abgasmengen eines Kreislaufdiesels geeignet .
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein U-Boot anzugeben, bei dem die Abgase eines üblichen, insbesondere aufgeladenen, Ladediesels, für die Batterien des Bootes, in Schnorchelfahrt in nicht unerheblicher Wassertiefe und sehr gut unter das Umgebungswasser gemischt ohne Leistungsverlust oder sogar unter Leistungsgewinn in der Nähe des U-Boot-Rumpfs abgeführt werden können . Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus dem Anspruch 1. Die für die Lösung erforderliche Unterdruckerzeu- gungs- und Mischeinrichtung ist aus der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung „Unterdruck-Mischeinrichtung für Schiffsabgas" (Aktenzeichen : EP 05100461.2) in ihren Einzelheiten bekannt .
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Betrieb der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit der U-Boot-Fahranlage und der U-Boot-Automatisierungsanlage insbesondere automatisiert erfolgt . Durch die Einbindung der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung in die allgemeine U-Boot-Fahr- und Automati-sierungsanlage wird die Sicherheit beim Betrieb des U-Boot-Ladediesels mit Unterwasserabgasausleitung erheblich gesteigert . Ein unabhängiger Betrieb ist zwar möglich, z .B . wenn zunächst der durch die Pumpe geregelt geförderte Wasserstrom oder ein Abzweig- ström aus der Kühlanlage des Ladediesels auf maximale Stärke eingestellt wird und dann erst die Zumischung des Abgases erfolgt, bei Störungen kann sich dann aber ein Betriebszustand einstellen, der die Sicherheit des U-Boots beeinträchtigt . Außerdem ist durch die Einbindung bessere Leistungsoptimie- rung des Ladediesels möglich . In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anfahren der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit der Ladedieselsteuerung und -regelung in einer Anfahrsequenz und entsprechend das Abfahren und Stillsetzen in einer Abfahrsequenz erfolgt . So ist sichergestellt, dass die Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung stets in einem vorherbestimmten, insbesondere mit optimaler Geschwindigkeit und Sicherheit arbeitenden An- und Abfahrbetrieb arbeitet . Unsichere Betriebszustände können so mit ho— her Sicherheit vermieden werden und das Bedienungspersonal kann sich auf die Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion des An- und Abfahrens des Ladediesels und seiner Abgasauslei- tungseinrichtung beschränken .
In diesem Zusammenhang ist auch vorgesehen, dass das Anfahren der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung erst nach einem Ausblasen des in der Einrichtung befindlichen Wassers erfolgt, wobei vorzugsweise das Ausblasen durch Druckluft erfolgt . Durch das Ausblasen mit Druckluft wird vorteilhaft er- reicht, dass die Wege für das Abgas vollständig frei sind und der durch den Unterdruck erreichbare höhere Wirkungsgrad der Turbolader und damit der Ladediesel schnell erreicht wird.
In besonders vorteilhafter Ausführung der Erfindung ist vor- gesehen, dass der Unterdruck in der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung über einen Soll-Wert eingestellt wird, der aus der Tiefe der Abgasaustrittsöffnung unter Wasser ermittelt 'wird und insbesondere dabei die gewünschte Ladeleistung berücksichtigt . So kann sehr vorteilhaft von einer Unter- druckmessung in der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung abgesehen werden, da dies durch die dort vorhandenen großen Verwirbelungen nur unter Schwierigkeiten und mit Zeitverzögerung möglich ist . Durch die Führung der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung über einen Soll-Wert ergibt sich ein stabiler und insbesondere bei entsprechenden Sicherheitszuschlägen auch sicherer Betrieb der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung. Es ist dabei auch vorgesehen, dass bei der Soll-Wert-Bildung die Bootsgeschwindigkeit und gegebenenfalls die Dichte des Umgebungswassers berücksichtigt werden . So ergibt sich eine Verbesserung des Soll-Werts in Richtung auf die tatsächlich in der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung herrschenden Verhältnisse, insbesondere wenn bei der Unterdruckbildung der Abgasdruck der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt wird. Dies ermöglicht dann auch die Einstellung des Unterdrucks derart, dass eine der jeweiligen Tauchtiefe angepasste maximale Ladeleistung erreicht werden kann.
Eine Anpassung der Regelung an den Leistungsbedarf des Ladediesels in Abhängigkeit von der Wassertiefe und dem Ladezustand der Bootsbatterien ist ebenfalls möglich .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum sicheren Betrieb ein automatisches Rückschlag- (Si- cherheits-) ventil in der Dieselabgasleitung einen Rückschlag des Seewassers in die Abgasleitung verhindert . Ein Rückschlag des Seewassers in die Abgasleitung kann zu erheblichen Schäden an den Ladedieseln führeoa. Es ist daher vorteilhaft, wenn hier eine gesonderte Sicherheitseinrichtung vorhanden ist, die unabhängig bei möglichen Ausfällen der Steuerung und Regelung anspricht .
In Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass in einem Regelkreis für den in der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung zu erzeugenden Unterdruck eine überlagerte Druckregelung, vorteilhaft mittels eines PID-Reglers und ei— nem unterlagerten Regelkreis für die Stellung eines Wasserzulaufventils oder einer Drehzahlregelung für die Wasserpumpe, den Unterdruck einstellt und hält . So ist eine stabile, den Anforderungen einer entsprechenden Einrichtung entsprechende Regelung möglich, die die unterschiedlichen zu regelnden Kom- ponenten miteinander verknüpft . Es ist dabei auch möglich, dass der Strömungsquerschnitt in der Unterdruckerzeugungsund Mischeinrichtung, Steuer- und regelbar verändert wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn mit einem Teilstrom des Ladedieselkühlwassers gearbeitet wird oder mit sonstigen aus dem Boot stammenden Wassermengen anstelle einer Wassermenge aus einer gesonderten Pumpe gearbeitet wird. Dann ist eine Regelung durch ein separates Ventil oder durch eine
Querschnittsveränderung vorteilhaft, da keine mengenregelbare separate Pumpe zur Verfügung steht .
Zur Durchführung der einzelnen Betriebsverfahrensschritte bei der Abgasausleitung eines U-Boot-Ladediesels unter Wasser ist eine Einrichtung zum gesteuerten und geregelten Betrieb einer Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung für die Abgase vorgesehen, die eine Verbindung zur U-Boot-Fahranlage und insbesondere zur U-Boot-Automatisierungsanlage, hier z .B . zu dem Teil für die Steuerung und Regelung des Ladediesels, aufweist . So ist eine jederzeitige Abstimmung des Verhaltens der Abgasausleitungseinrichtung und des Ladediesels unter Berücksichtigung des U-Boot-Fahrzustandes aufeinander möglich. Die Abgasausleitungseinrichtung kann so jederzeit unter Berück- sichtigung des U-Boot-Fahrzustandes auf die speziellen Erfordernisse des Ladediesels, und hier insbesondere der Turbgla- der, eingestellt werden .
Die Einrichtung zum gesteuerten und geregelten Betrieb einer Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung weist insbesondere einen überlagerten Regelkreis zum Regeln des Unterdrucks und einen unterlagerten Regelkreis zum Regeln der Pumpendrehzahl oder eines Ventils im Treibwasserstrom auf . So kann den Anforderungen an die Regelung der einzelnen Komponenten vor- teilhaft Rechnung getragen werden, insbesondere wenn die Regelung einen PID-Regler umfasst, der sehr schnell die erforderlichen Steuergrößen ausgibt .
Es ist dabei weiterhin vorgesehen, dass die Einrichtung eine Recheneinrichtung zur Ermittlung des Austrittsdrucks des gebildeten Gas-Wasser-Gemisches und/oder des Unterdrucks in der Unterdruck-Erzeugungs- und Mischeinrichtung aufweist . Durch diese Recheneinheit, die mit den Daten der Unterdruckerzeu- gungs- und Mischeinrichtung parametriert wird, kann sehr vorteilhaft der Innen- und der Austrittsdruck des gebildeten Gas-Wasser-Gemisches fortlaufend errechnet werden . So ist ei- ne sichere Regelung der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung möglich, die sicher sowohl den Betrieb der Abgasturbolader berücksichtigt und den erforderlichen Gegendruck einstellt und im Betrieb ein Einströmen des Umgebungswassers in die Einrichtung verhindert . Für die Regelung ist wahlweise eine regelbare Treibwasserpumpe oder ein Regelventil für das Treibwasser, oder auch eine querschnittsadaptierbare Düse vorgesehen. In allen Fällen ergibt sich die Möglichkeit, den Unterdruck sicherer zu steuern und zu regeln, dass eine Gefährdung der Ladediesel ausgeschlossen ist .
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass das U-Boot eine Drucklufteinrichtung für die Freiblasluftmenge der Einrichtung aufweist . Dabei kann sowohl eine unabhängige Drucklufteinheit als auch eine Einheit vorgesehen werden, die Abgase oder durch den Schnorchel angesaugte Luft auf den erforderlichen Ausblasdruck bringt . Diese ist dann mit der entsprechenden Verdichterenergie zu versorgen .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das U-Boot einen Drucksensor für den Wasserdruck und vorteilhaft einen Drucksensor für den Abgasdruck vor der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung aufweist . Der Wasserdruck wird bei einem U-Boot in der Regel durch Sensoren laufend ermittelt, hier ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn ein spezieller, separater Drucksensor für den Wasserdruck an oder in der Nähe der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung vorhanden ist . Zusammen mit einem Drucksensor für den Abgasdruck vor der Einrichtung ergibt sich dann zuverlässig der Differenzdruck, der durch die Einrichtung erreicht werden muss . In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße U-Boot eine Recheneinheit für den Ablauf einer Anfahrsequenz und für eine Abfahrsequenz der Unterdru- ckerzeugungs- und Mischeinrichtung aufweist . So ist ein si- cherer An- und Abfahrbetrieb möglich. Dabei können auch Umgebungseinflüsse und der Betriebszustand des Ladediesels berücksichtigt werden . Durch die Recheneinheit können die erforderlichen Einstellgrößen besonders schnell eingestellt werden, da eine derartige Recheneinrichtung schneller als die Bedienungsmannschaft reagieren kann . Dies ist insbesondere wichtig, wenn ein schnelles Abtauchen des U-Boots unter die Schnorcheltiefe erforderlich wird. Es ist dabei vorgesehen, dass die Recheneinrichtung mit der allgemeinen U-Boot-Automatisierungseinrichtung und U-Boot-Fahranlage verbunden ausge- bildet ist . So wird die erforderliche, von dem jeweiligen Bootsmanöver abhängige, Funktion der Unterdruckerzeugungsund Mischeinrichtung sichergestellt .
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Recheneinheit mit der U-Boot-Zustandsvisualisierung, insbesondere mit einer Bedien- und Beobachtungsstation im Rahmen der U-Boot-Automatisierung verbunden ist . So ergibt sich für die Mannschaft jederzeit eine einfache und schnelle Überwachung der Funktion der Un- terdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung, wobei vorteilhaft ein vorhandener Bildschirm benutzt werden kann, der nicht anderweitig benötigt wird.
Eine erfindungsgemäße Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung ist nicht nur vorteilhaft bei U-Booten zu verwenden . Auch die Verwendung in Überwasserschiffen mit einer Unterwasserabgasausleitung von Energieerzeugungseinrichtungen, insbesondere Diesel-Generatorsätzen oder Gasturbinen-Generatorsätzen, ist von erheblichem Vorteil, wenn die Abgase deutlich unterhalb der Wasserlinie ausgestoßen werden sollen . Dabei ist eine Wassertiefe von 4 bis 6 m für die Abgasausleitung erreichbar, so dass eine Ortung der Abgase, die zudem noch im Nachstrom des Überwasserschiffes weiter verwirbelt werden, praktisch unmöglich ist . Die Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung wird vorteilhaft im Bereich der Außenhülle des Unterwasserschiffs am Achter- oder Mittelschiff angeordnet .
Bei U-Booten ist die Anordnung der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung am Fuß des Turms oder hinter dem Turm besonders vorteilhaft . Insbesondere bei U-Booten, die nachgerüstet werden sollen, braucht auch vorteilhaft innerhalb des U-Boots die Abgasführung nicht geändert werden . Trotzdem werden alle Vorteile erreicht .
Für Überwasserschiffe ist die Verwendung der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit einem tief getauchten Waterjet besonders vorteilhaft, da die Energieer- zeugungseinrichtung für einen tief getauchten Waterjet im
Schiffsbereich vor dem Waterjet angeordnet werden wird und so nur kurze Abgasleitungen erforderlich sind und gleichzeitig eine besonders gute Vermischung der Abgase im Wasser erfolgt . Für horizontal arbeitende Ortungsgeräte, die im IR-Bereich arbeiten, dürfte damit eine Ortung der Abgase des Dieseloder Gasturbinen-Generatorsatzes zur Versorgung von tief getauchten Waterjets nicht möglich sein .
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten ebenso wie aus den Unteransprüchen und der Zeichnungsbeschreibung entnehmbar sind.
Im Einzelnen zeigen :
FIGUR 1 eine schematische Schnittzeichnung durch die erfindungsgemäße Einrichtung;
FIGUR 2 ein RegelungsSchema der erfindungsgemäßen Einrichtung; FIGUR 3 ein Blockschaltbild für das An- und Abfahren und
FIGUR 4 in beispielhafter schematischer Darstellung ein großes, seegehendes Schiff, z .B . eine Fregatte, mit verteilten erfindungsgemäßen Einrichtungen .
In FIGUR 1 bezeichnet 1 das Gehäuserohr der Einrichtung, das gleichzeitig das Einleitungsrohr für das Misch- und Unterdru- ckerzeugungs- (Treib) wasser ist . 2 bezeichnet das Abgasrohr sowie 3 den erfindungswesentlichen, vorteilhaften mittigen Verdrängungskörper für Abgas mit einem Abströmkegel für das gebildete Gemisch mit Diffusorwirkung. Um den Verdrängungskörper 3 bildet sich das erfindungsgemäße Unterdruckgebiet auf der Außenseite der Aufweitung 4. Zur Dralleinleitung in den Wasser- und in den Gasstrom sind Leitelemente 5 und 6 vorgesehen, die gleichzeitig eine Halterung für den Verdrängungskörper 3 und den aufgeweiteten Wasserkanal 4 bilden können . Das der Misch- und Unterdruckerzeugungseinrichtung zuge- führte Wasser ist durch die Pfeile 7 symbolisiert und das Abgas durch den Pfeil 8. Das gebildete Gas-Wasser-Gemisch ist durch den Doppelpfeil 9 symbolisiert . 10 bezeichnet das Gemischausströmrohr . Die Leitelemente 5 und 6 erzeugen vorteilhaft einen gegenläufigen Drall .
Ganz wesentlich für die vorteilhafte Funktion der Mische und Unterdruckerzeugungseinrichtung sind die geometrischen Verhältnisse, d. h. die Rohrdurchmesser und Rohrabschnittslängen in der Einrichtung. Aus diesem Grund sind die Einzellängen und die Hauptdurchmesser in FIGUR 1 eingetragen . Die Abmessungen in FIGUR 1 haben die Verhältnisse :
DA = 1, 5 - 2, 0 D4
Ll = 3 - 4, 5 D4 L2 = 0, 6 - 0, 8 D4
L3 = 0, 8 - 1, 2 D4
L4 = 0, 6 - 1, 0 D4
L5 = 1, 3 - 1, 7 D4
L6 = 1, 5 - 3, 5 D4 Dl = 1, 2 - 1, 5 D4
D2 = 0, 2 - 0, 3 D4
D3 = 0, 2 - 0, 3 D4 D4 ist der Durchmesser des Abgasrohrs
Die in der Tabelle auf geführten Verhältnisse sind für ein Abgasrohr von 250 mm Durchmesser berechnet, in das die Abgase eines typischen, aufgeladenen Dieselmotors mit einer Leistung von 1300 KW eingeleitet werden . Die Abgaseinlasstemperatur in die Einrichtung ist nach ihrer erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlung 90 Grad C .
In FIGUR 2 bezeichnet 11 die erfindungsgemäße Unterdrucker- zeugungs- und Mischeinrichtung in abstrahierter Form, während die übrigen Komponenten des Regelungsschemas in der, in der E-Technik üblichen, Form dargestellt sind. 12 bezeichnet den Seewassereinlass und 13 die regelbare Pumpe, der ggf . ein Stellventil oder ein Drosselventil 14 nachgeschaltet ist .
Dieses Stellventil 14 kann auch entfallen, wenn die Dynamik der Pumpe 13 so hoch ist, dass eine schnelle dynamische Regelung, z . B . zum Ausgleich der Wellentäler und Wellenberge bei hoher Dünung, gewährleistet ist .
14 bezeichnet die Eingabe des Uziterdruck-Soll-Werts und 15 die Zusammenführung mit dem Tiefenwert und dem relativen Geschwindigkeitswert . Bei dem relativen Geschwindigkeitswert ist der Sog am Ausgang des Abgas-Wasser-Gemisches aus der er- findungsgemäßen Einrichtung zu berücksichtigen . 16 und 17 bezeichnen einen PID- und einen PI-Regler für die Druckkontrolle und die Stellungskontrolle der Pumpe 13 oder des Ventils 14. 18 bezeichnet die Größe (Rechengröße) des Unterdrucks und 19 die Menge des Unterdruck-Erzeugungswassers . Die einzelnen Größen und Eingabewerte sind in regeltechnisch üblicher Weise miteinander verknüpft, wobei das RegelungsSchema nur eine vorteilhafte Ausführung darstellt . 20 bezeichnet die Steuer- und Regeleinheit der beiden üblicherweise in einem U- Boot vorhandenen Ladediesel 21, sowie 22 die Ventile für den Abgasstrom der Ladediesel . 23 bezeichnet das Einlassventil für die Druckluft, mit der die Einrichtung 11 vor Inbetriebsetzung nach einem Tauchgang frei geblasen wird. 24 bezeich- net die Druckmessung im Abgaszweig und 25 den Differenzdruck am Regelventil 14, der eine Basis für die Rechnungen der Recheneinheit für den Unterdruck in der Einrichtung 11 bildet . Wie ersichtlich, wird sowohl der Druck in der Abgasleitung als auch der Differenzdruck und die Ventilposition zusammen mit der Tiefe und der relativen Geschwindigkeit für die Regelung verwendet .
In FIGUR 3, die ein Blockschaltbild für das An- und Abfahren der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung zeigt, sind in den einzelnen Blöcken die Aufgaben, die jeder Block zu erfüllen hat, eingetragen . Dem Anfahrvorgang geht eine Vorbereitungssequenz 30 für den Ladediesel voraus . Wenn diese durchgeführt ist, wird, wie Block 31 zeigt, die Pumpe gestartet . Anschließend erfolgt das Ausblasen der Abgasleitung mit
Druckluft, wobei die Druckluft auch, wie in 32 ausgeführt, durch über den Schnorchel angesaugte Luft oder durch Abgas- verdichtung erzeugt werden kann . Bei der Angabe „Ausblasen mit Druckluft" handelt es sich um ein Ausblasen mit Druckluft aus einem Druckluftspeicher . Anschließend an das Ausblasen erfolgt, entsprechend 33 der Start der jeweiligen Die.selma- schine, an den sich das übliche Hochfahren der Dieselmaschine anschließt . Dies ist durch 34 symbolisiert .
Der Abfahrvorgang beginnt mit einer durch 35 symbolisierten Sequenz des Stopps der Dieselmaschine, der durch die Arbeit des Blocks 36 durchgeführt wird. Anschließend wird vorteilhaft, wie in 37 angegeben, die Abgasleitung ausgeblasen oder gespült . Wie sich aus 38 ergibt, wird dann die Pumpe ausge- schaltet und weiter in der Sequenz Stopp Dieselmaschine, symbolisiert durch 39, vorgegangen . So ist eine erneute einwandfreie Funktion der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung in Verbindung und Übereinstimmung mit den Notwendigkeiten zum Betrieb und zur Stillsetzung der Ladediesel gewährleistet .
In FIGUR 4, die eine Seitenansicht einer modernen Fregatte mit im Schiff verteilten Energieerzeugungsaggregaten zeigt, bezeichnet 40 einen erfindungsgemäßen Abgasauslass im Vorderschiff, 41 einen erfindungsgemäßen Abgasauslass im Mittelschiff, der in Verbindung mit einem Waterjet 44 und einem Verbrennungskraftmaschinen-Generatorsatz 43 arbeitet sowie 42 eine erfindungsgemäße Auslasseinrichtung für Abgase im Achterschiff . Wie ersichtlich, kann jede im Schiff, z .B . der als Beispiel gezeigten Fregatte, aber natürlich auch einer Korvette oder eines Schnellboots, angeordnete Energieerzeugungseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Unterdruckerzeugungs- und Abgasmischgerät ausgerüstet werden .
Die in FIGUR 4 gezeigte Fregatte weist als Antrieb einen e- lektrischen Ruderpropeller 45 auf, natürlich ist als Antrieb auch ein Propeller möglich, der fest im Heck des Schiffes montiert ist . Dabei kann es sich sowohl um einen Dieseldirektantrieb als auch um einen elektromotorisch angetriebenen Propellerantrieb handeln . Je nach Größe der Abgasströme werden die erfindungsgemäßen Einrichtungen 40, 41 oder 42 dann parallel geschaltet, da es aus wirtschaftlichen Gründen sinn- voll ist, sich auf eine einheitliche Größe der erfindungsge— mäßen Einrichtung zu beschränken,,.. Die erfindungsgemäße Einrichtung, deren Regelungsmöglichkeiten entsprechend ausgelegt sind, kann dann entsprechend parametriert und optimiert gefahren werden . Lediglich bei sehr kleinen Einrichtungen, z .B . für Verbrennungskraftmaschinen unter einigen 100 KW, oder für Dieselreformer, wird eine entsprechend verkleinerte Einrichtung verwendet werden müssen . Eine Verkleinerung der Einrichtung ist jedoch ohne strömungstechnische Änderungen möglich.
Das Verfahren und die Einrichtung sind stets einsetzbar, wenn eine Leistungserhöhung eines Dieselmotors gewünscht wird. Die Leistung aller Dieselmotoren ist gegendruckabhängig und durch die Erfindung kann der Gegendruck - sogar unter den Atmosphärendruck - erheblich gesenkt werden .

Claims

Patentansprüche
1. U-Boot mit zumindest einem, vorzugsweise aufgeladenen, Ladediesel für die Bootsbatterien, der in Schnorchelfahrt ge- steuert und geregelt betrieben wird, wobei die bei dem Betrieb des U-Boot-Ladediesels erzeugten Abgase mit einem dem Umgebungswasser des U-Boots entnommenen, durch eine Pumpe geregelt geförderten Wasserstrom im Zusammenwirken mit einer Unterdruckerzeugungseinrichtung miteinander vermischt und in vermischtem Zustand unter Wasser ausgetragen werden und wobei der Betrieb der gebildeten Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit dem Steuern und Regeln des Ladediesels erfolgt .
2. U-Boot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Betrieb der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit der U-Boot-Fahranlage und der U-Boot-Automatisierungsanlage insbesondere automatisiert erfolgt .
3. U-Boot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit der Ladedieselsteuerung und Regelung in einer Anfahrsequenz erfolgt .
4. U-Boot nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stillsetzen der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung im Zusammenwirken mit der Ladedieselsteuerung und Regelung in einer Abfahrsequenz erfolgt .
5. U-Boot nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung erst nach einem Ausblasen des in der Einrichtung befindlichen Wassers erfolgt, wobei vorzugsweise das Ausblasen durch Druckluft erfolgt .
6. U-Boot nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdrück in der Unterdru- ckerzeugungs— und Mischeinrichtung über einen Soll-Wert eingestellt wird, dessen Größe vorzugsweise aus der Tiefe der Abgasaustrittsöffnung unter Wasser ermittelt wird und die ge- wünschte Ladeleistung berücksichtigt .
7. U-Boot nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Soll-Wert-Bildung die Bootsgeschwindigkeit und ggf . die Dichte des Umgebungswassers des U-Boot berücksichtigt wird.
8. U-Boot nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Unterdruck der Abgasdruck der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt wird, wobei insbesondere der Unterdruck auf ein Erreichen der maximal möglichen Leistung des U- Boot-Ladediesels eingestellt wird.
9. U-Boot nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Regelung der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung in Anpassung an den Leistungsbedarf des Ladediesels in Abhängigkeit von der Wassertiefe erfolgt .
10. U-Boot nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer automati- sehen Rückschlag- (SicherheitS-) klappe in der Dieselabgasleitung ein Rückschlag von Seewasser in die Abgasleitung verhindert wird.
11. U-Boot nach einem oder mehreren der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Regelkreis für den zu erzeugenden Unterdruck eine überlagerte Druckregelung, vorteilhaft mittels eines PID-Reglers, und in einem unterlagerten Regelkreis für die Stellung eines Wasserzulaufventils oder einer Drehzahlregelung für die Wasserpumpe der Unter- druck eingestellt und gehalten wird.
12. U-Boot nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt für das Wasser in der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung, zur Unterdruckerzeugung Steuer- und regel- bar verändert wird.
13. U-Boot nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Recheneinheit für den Ablauf einer Anfahrsequenz und/oder eine Abfahrse- quenz aufweist, wobei die Recheneinrichtung insbesondere mit der allgemeinen U-Boot-Automatisierungseinrichtung oder Fahranlage verbunden ist .
14. U-Boot nach einem oder mehreren der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Recheneinheit für den Betrieb der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung aufweist, die mit einer Bedien- und Beobachtungsstation im U-Boot verbunden ist .
15. Einrichtung zum gesteuerten und geregelten Betrieb einer Unterdruckerzeugungs- und Misαheinrichtung für die Abgase eines U-Boot-Ladediesels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verbindung zur U-Boot-Fahranlage und insbesondere zur U-Boot-Automati- sierungsanlage, z .B . zu dem Teil, der der Steuerung und Regelung der Ladediesel dient, aufweist .
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen überlagerten Regelkreis zum Regeln des Unter- drucks in der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung und einen unterlagerten Regelkreis zum Regeln der Pumpendrehzahl oder eines Ventils im Treibwasserstrom zur Erzeugung des Unterdrucks aufweist .
17. Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung einen PID-Regler umfasst .
18. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Recheneinheit zur Errechnung des momentanen Unterdrucks in der Unterdruckerzeugungs- und Mischeinrichtung aufweist .
19. Einrichtung nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Recheneinrichtung zur Ermittlung des Austrittsdrucks des gebildeten Gas-Wasser-Gemischs aufweist .
20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis
19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine regelbare Treibwasserpumpe aufweist .
21. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis
20, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Regelventil für das Treibwasser zur Erzeugung des Unterdrucks aufweist .
22. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine querschnittsadap- tierbare Düse zur.. Erzeugung des Unterdrucks aufweist .
23. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis
22, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Drucklufteinheit für die Freiblasluftmenge der Unterdruckerzeugungs- und
Mischeinrichtung aufweist .
24. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis
23, dadurch gekennzeichnet, dass sie Drucksensoren, insbeson- dere Drucksensoren für den Wasserdruck an dem U-Boot und einen Drucksensor für den Abgasdruck, aufweist .
25. Verwendung des Betriebsverfahrens und der Einrichtungen, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, in Ü- berwasserschiffen mit einer Abgasausleitung von Energieerzeugungseinrichtungen, insbesondere Dieselgeneratorsätzen o- der Gasturbinengeneratorsätzen, erheblich unterhalb der Wasserlinie .
26. Verwendung des Verfahrens und der Einrichtungen nach ei- nem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, zur Abgasausleitung von Energieerzeugungseinrichtungen im Bereich der Au- ßenhülle am Achterschiff oder hinter dem Turm eines U-Boots .
27. Verwendung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Unterdruckerzeugung und Mischung im Fuß oder am Fuß des U-Boot-Turms angeordnet ist .
28. Verwendung des Verfahrens und der Einrichtung im Zusammenwirken mit einem tief getauchten Waterjet .
29. Verwendung des Verfahrens und der Einrichtung zur Leistungserhöhung von, insbesondere aufgeladenen, Dieselmotoren.
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