WO2023215921A1 - Antriebseinheit für ein wasserfahrzeug mit wasserleitelementen - Google Patents

Antriebseinheit für ein wasserfahrzeug mit wasserleitelementen Download PDF

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WO2023215921A1
WO2023215921A1 PCT/AT2023/060102 AT2023060102W WO2023215921A1 WO 2023215921 A1 WO2023215921 A1 WO 2023215921A1 AT 2023060102 W AT2023060102 W AT 2023060102W WO 2023215921 A1 WO2023215921 A1 WO 2023215921A1
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WO
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water
housing
drive unit
displacement body
extension
Prior art date
Application number
PCT/AT2023/060102
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gernot NEUBÖCK
Original Assignee
Hydro Impulse Systems Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hydro Impulse Systems Gmbh filed Critical Hydro Impulse Systems Gmbh
Publication of WO2023215921A1 publication Critical patent/WO2023215921A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/14—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers characterised by being mounted in non-rotating ducts or rings, e.g. adjustable for steering purpose
    • B63H5/15—Nozzles, e.g. Kort-type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/28—Other means for improving propeller efficiency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00—Marine propulsion by water jets
    • B63H11/02—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water
    • B63H11/04—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps
    • B63H11/08—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of rotary type
    • B63H2011/081—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of rotary type with axial flow, i.e. the axis of rotation being parallel to the flow direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/16—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers characterised by being mounted in recesses; with stationary water-guiding elements; Means to prevent fouling of the propeller, e.g. guards, cages or screens

Definitions

  • the invention relates to a drive unit for a watercraft according to claim 1.
  • Drive units for watercraft such as ships and boats are known in the art and are used to generate propulsion for the respective watercraft.
  • drive units must work as efficiently as possible in order to provide the lowest possible fuel consumption and at the same time a high maximum propulsive force.
  • propellers are used in drive units for hydroelectric vehicles to generate propulsion.
  • other propulsion options are also known, such as pump jet drives.
  • Such a drive unit has a water displacement body in which a drive train is at least partially accommodated.
  • the drive train can include a motor such as an internal combustion engine and/or an electric motor, as well as a drive shaft.
  • This water displacement body causes water displacement and disrupts the homogeneity of the water flow in the area of the propeller. This creates turbulence in the water flow, which reduces the efficiency of the propeller.
  • the water displacement body can, for example, be a part of the boat or ship's hull or a fastening part for the propeller.
  • Document FR 1378903 A discloses a propulsion unit for a watercraft with a propeller arranged within a housing.
  • JP S57158191 A also discloses a drive unit for a watercraft.
  • the drive unit according to the invention for a watercraft comprises a water displacement body with a drive train at least partially accommodated therein. In an operating position of the drive unit, the water displacement body extends from an underwater space towards a water surface.
  • the drive unit also includes a housing which has a water inlet opening, a water outlet opening, and a main flow direction running from the water inlet opening to the water outlet opening.
  • the housing is connected to the water displacement body in a region of the housing facing the water surface in the operating position, wherein the housing has a hub in a housing interior between the water inlet opening and the water outlet opening and, starting from the hub, essentially radially extending water guiding elements.
  • At least one of these water-conducting elements ensure a laminar flow within the housing.
  • At least one of these water-conducting elements has a cross-sectional curvature, which preferably decreases substantially continuously starting from the hub. In this way, the water displacement of the water displacement body and/or the hub can be compensated, whereby a substantially axial flow on the propeller is achieved.
  • at least one of the water guiding elements has an angle of attack other than zero degrees in relation to the main flow direction. This angle of attack preferably decreases essentially continuously starting from the hub. This additionally compensates for the water displacement of the water displacement body.
  • water-guiding elements which have a smaller average distance from the water displacement body have a larger average cross-sectional curvature than water-guiding elements which have a larger average distance from the water displacement body.
  • the cross-sectional curvature of water-conducting elements in the vicinity of the water displacement body is greater than that of water-conducting elements which face away from the water displacement body. This improves the compensation of the water displacement of the water displacement body by the water guiding elements.
  • the housing has an extension in the area of the connection to the water displacement body, which extends counter to the main flow direction.
  • the housing and the extension in the area of the connection with the water displacement body, which extends counter to the main flow direction achieve the advantage that a substantially homogeneous flow is achieved within the housing when the drive unit is started. This drastically increases the efficiency of a downstream propeller, for example.
  • an outer surface of the housing in the area of the extension is at a greater distance from a central axis of the housing than the outer surface on a side of the housing opposite the extension. This increases the flow resistance of a water flow directed counter to the main flow direction in the area of the extension outside the housing, as a result of which essentially only water that is located in front of the water inlet opening in the main flow direction is sucked into the housing.
  • the distance of the outer surface from the central axis of the housing in the area of the extension first increases in the main flow direction, starting from a point of the housing that is at the forefront in the main flow direction, subsequently reaches a maximum and then decreases. This reduces the flow resistance of the drive unit when operating at a constant speed.
  • the distance of the outer surface from the central axis of the housing on the side of the housing opposite the extension preferably has a maximum at a point which in the main flow direction after the maximum of the distance of the outer surface from the central axis of the housing on the side having the extension of the housing is arranged. This creates an asymmetrical shape of the housing, which improves the homogeneity of the water flow in the area between the housing and the water surface.
  • the water displacement body is also preferably enclosed at least in sections by the extension, the extension preferably extending symmetrically around the water displacement body. This reduces the flow resistance of the water displacement body in the area of the connection point to the housing, and water turbulence is reduced.
  • the extension of the housing has a depth measured in the main flow direction, which, viewed along a circumference of the water inlet opening, first increases when approaching the water displacement body, reaches a maximum in the area of the connection of the housing to the water displacement body, and then drops again. This reduces the flow resistance of the extension.
  • Figure 1 shows a drive unit according to the invention for a watercraft in a side view.
  • Figure 2 shows the drive unit according to the invention for a watercraft in a perspective view.
  • Figure 3 shows the drive unit according to the invention for a watercraft in a top view.
  • Figure 4 shows the drive unit according to the invention for a watercraft in a frontal view.
  • Figure 5a shows a cross section through a drive unit for a watercraft according to the prior art.
  • Figure 5b shows a cross section through the drive unit according to the invention for a watercraft.
  • Figure 6 shows a streamline in the area of the drive unit according to the invention.
  • Figure 7 shows a cross section through a water guide element of the drive unit according to the invention.
  • FIG. 1 shows a drive unit 1 according to the invention for a watercraft in a side view.
  • the drive unit 1 comprises a water displacement body 2, in which a drive train not visible in the figures is at least partially accommodated.
  • the drive train can, for example, include a drive shaft and/or a motor such as an electric motor or an internal combustion engine.
  • the water displacement body 2 extends from an underwater space towards a water surface.
  • the water surface is not shown separately in the figures.
  • the part of the drive unit 1 shown in Figure 1 is shown in the operating position, and in this is preferably completely under water or completely in the underwater space.
  • the drive unit 1 comprises a housing 3, which has a water inlet opening 4, a water outlet opening 5, and a main flow direction H running from the water inlet opening 4 to the water outlet opening 5.
  • the housing 3 is connected to the water displacement body 2 in an area 6 of the housing 3 facing the water surface in the operating position, as in Figure 1 can be seen.
  • the housing 3 of the drive unit 1 according to the invention has a hub 10 in a housing interior between the water inlet opening 4 and the water outlet opening 5 and, starting from the hub 10, water guiding elements 11 arranged essentially radially.
  • the water guiding elements 2 can be seen, for example, in Figure 2, Figure 4 and Figure 5b. 7 also shows a cross section through one of the water-guiding elements 11.
  • the integration of the water-guiding elements 11 into the drive unit 1 according to the invention provides the advantage that the water-guiding elements 11 enable the water flow to be steered and the water flow conditions in the housing interior to be influenced.
  • at least one of the water guiding elements 11 has a cross-sectional curvature 12.
  • the water guiding elements 11 are preferably designed in the shape of an airfoil, which can be seen in cross section in Figure 11.
  • the cross-sectional curvature 12 is selected such that the water flow is redirected on at least one of the water guiding elements 11.
  • This cross-sectional curvature 12 of the at least one water-conducting element 11 decreases essentially continuously starting from the hub 10. This results in a greater deflection of the water flow in the area of the hub 10, and the water flow is only slightly influenced near the inner wall of the housing 3. Since the water displacement body 2 can influence the direction of the water flow, this makes it possible to compensate for the influence of the water displacement body 2 on the orientation of the water flow in relation to the main flow direction H.
  • At least one of the water guiding elements 11 also has an angle of attack a different from zero degrees in relation to the main flow direction H.
  • the angle of attack a is shown separately in Figure 7.
  • the angle of attack a enables an additional deflection of the water flow through the water-guiding elements 11.
  • the angle of attack a of the at least one water-guiding element 11 decreases substantially continuously starting from the hub 10.
  • the water guiding elements 11 have a twisted or twisted course.
  • the higher angle of attack a in the area of the hub 10 enables compensation for the influence of the water displacement body 2 on the direction of the water flow in relation to the main flow direction H in the housing 3.
  • water-guiding elements 11, which have a smaller average distance from the water displacement body 2 have a larger average cross-sectional curvature 12 than water-guiding elements 11, which have a larger average distance from that Have water displacement body 2.
  • the water guiding elements 11, which have a smaller average distance from the water displacement body 2 are in Figure 4 those water guiding elements 11 which are arranged in the upper region of Figure 4, in the area around the water displacement body 2.
  • the average cross-sectional curvature 12 of water guiding elements 11, which are arranged at the bottom, opposite the water displacement body 2 can be, for example, zero, and for water guiding elements 11, which are at a smaller distance from the water displacement body 2, can increase continuously towards the top. This reduces the influence of the water displacement body 2 on the water flow, and ensures a uniform, eddy-free and axially aligned flow between the
  • water guide elements 11, which have a smaller average distance from the water displacement body 2 have a larger average angle of attack a in relation to the main flow direction H than water guide elements 11, which have a larger average distance from the water displacement body 2. This leads to a further reduction in the influence of the water displacement body 2 on the flow inside the housing 3.
  • the housing 3 in the area 6 of the connection to the water displacement body 2 has an extension 7 shown in Figures 1 to 4, 5b and 6, which extends counter to the main flow direction H.
  • the drive unit 1 When starting the drive unit 1 for a watercraft from a rest state in which the flow velocity of the water in relation to the drive unit 1 is essentially zero, the drive unit 1 generates a suction which transports water through the housing 3 in the main flow direction H.
  • water is conveyed into the housing 3 in the area around the water inlet opening 4. Since in the idle state the
  • the water in the area of the water inlet opening 4 does not move or only moves at a very low speed in relation to the drive unit 1, there is a very large suction effect by the drive unit 1 when the drive unit 1 starts up. Water is therefore also drawn into the drive unit 1 at the Water inlet opening 4 is sucked in, which is not located directly in front of the water inlet opening 4 or around it. On the other hand, water is also sucked in, which is located, for example, next to the housing 3, between the water inlet opening 4 and the water outlet opening 5. This is first moved outside the housing 3 against the main flow direction H and then essentially reverses its direction of movement at the water outlet opening 4.
  • FIG. 5a shows the water inlet opening 4 Drive unit according to the prior art without the extension 7 according to the invention shows.
  • this reversal of the flow direction of the water at the water inlet opening 4 creates turbulences in the water flow, which continue inside the housing between the water inlet opening 4 and the water outlet opening 5.
  • a propeller 8 arranged in the housing 3, or in the main flow direction H after the housing 3, which can also be seen in Figure 5a.
  • any other drive device generally known to those skilled in the art, arranged under water, which is suitable for generating propulsion for a watercraft, can also be provided.
  • the extension 7 as can be seen in Figure 5b, in which the drive unit 1 according to the invention is shown, ensures that no vortices arise inside the housing between the water inlet opening 4 and the water outlet opening 5.
  • the shape of the housing 3 according to the invention also enables a streamlined course during operation of the drive unit 1 according to the invention, which has a minimum of deflections caused by the drive unit 1 according to the invention, and thus ensures a low flow resistance.
  • an outer surface 9 of the housing 3 in the area of the extension 7 has a greater distance Ai from a central axis Z of the housing 3 than the outer surface 9 on a side of the housing 3 opposite the extension 7.
  • the distance the outer surface 9 on the side of the housing 3 opposite the extension 7 is designated A2 in Figure 1.
  • the distance Ai of the outer surface 9 from the central axis Z of the housing 3 in the area of the extension 7 also preferably increases first in the main flow direction H, starting from a point of the housing 3 that is frontmost in the main flow direction H, subsequently reaches a maximum, and then decreases away. This results in a low flow resistance of the housing 3 in the main flow direction H during operation.
  • the distance A2 of the outer surface 9 from the central axis Z of the housing 3 on the side of the housing 3 opposite the extension 7 has a maximum at a point which in the main flow direction H after the maximum of the distance Ai the outer surface 9 of the central axis Z of the housing 3 is arranged on the side of the housing 3 having the extension 7.
  • the distance Ai and the distance A2 are shown in Figure 1 at the points of the respective maximum. This results in different flow conditions on opposite sides of the housing 3, whereby asymmetries caused by the water displacement body 2 can be compensated for.
  • the water displacement body 2 according to the preferred embodiment of the drive unit 1 according to the invention shown in these figures is at least partially enclosed by the extension 7, the extension 7 preferably extending symmetrically around the water displacement body 2. This achieves a smooth, symmetrical transition between the water displacement body 2 and the extension 7 or the housing 3, whereby the flow resistance of the drive unit 1 according to the invention is reduced.
  • the extension 7 of the housing 3 has a depth T measured in the main flow direction H, which, viewed along a circumference of the water inlet opening 4, first increases when approaching the water displacement body 2, in the area 6 of the connection of the housing 3 reaches a maximum with the water displacement body 2 and then drops again. This further reduces the flow resistance of the drive unit 1 according to the invention.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)

Abstract

Antriebseinheit (1) für ein Wasserfahrzeug, wobei die Antriebseinheit (1) einen Wasserverdrängungskörper (2) mit einem darin zumindest teilweise aufgenommenen Antriebsstrang umfasst, und der Wasserverdrängungskörper (2) sich in einer Betriebslage der Antriebseinheit (1) aus einem Unterwasserraum in Richtung einer Wasseroberfläche erstreckt, und wobei die Antriebseinheit (1) ein Gehäuse (3) umfasst, welches eine Wassereintrittsöffnung (4), eine Wasseraustrittsöffnung (5), und eine von der Wassereintrittsöffnung (4) zur Wasseraustrittsöffnung (5) verlaufende Hauptströmungsrichtung (H) aufweist, wobei das Gehäuse (3) mit dem Wasserverdrängungskörper (2) in einem in der Betriebslage der Wasseroberfläche zugewandten Bereich (6) des Gehäuses (3) verbunden ist wobei das Gehäuse (3) in einem Gehäuseinnenraum zwischen der Wassereintrittsöffnung (4) und der Wasseraustrittsöffnung (5) eine Nabe (10) und von der Nabe (10) ausgehend, im Wesentlichen radial verlaufend angeordnete Wasserleitelemente (11) aufweist, wobei zumindest eines der Wasserleitelemente (11) eine Querschnittswölbung (12) aufweist, welche ausgehend von der Nabe (10) im Wesentlichen kontinuierlich abnimmt.

Description

Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug mit Wasserleitelementen
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug gemäß Anspruch 1.
Antriebseinheiten für Wasserfahrzeuge wie beispielsweise für Schiffe und Boote sind im Stand der Technik bekannt und werden verwendet, um einen Vortrieb für das jeweilige Wasserkraftfahrzeug zu generieren. Derartige Antriebseinheiten müssen heutzutage möglichst effizient arbeiten, um einen möglichst geringen Treibstoffverbrauch und eine gleichzeitig hohe maximale Vortriebskraft bereitzustellen. Herkömmlicherweise werden in Antriebseinheiten für Wasserkraftfahrzeuge Propeller eingesetzt, um den Vortrieb zu generieren. Es sind allerdings auch andere Vortriebsmöglichkeiten wie beispielsweise Pump Jet Antriebe bekannt.
Eine derartige Antriebseinheit weist einen Wasserverdrängungskörper auf, in welchem ein Antrieb sstrang zumindest teilweise aufgenommen ist. Der Antriebsstrang kann hierbei einen Motor wie einen Verbrennungs- und/oder einen Elektromotor, sowie eine Antriebswelle umfassen. Dieser Wasserverdrängungskörper bewirkt eine Wasserverdrängung und stört die Homogenität der Wasserströmung im Bereich des Propellers. Hierdurch entstehen Verwirbelungen in der Wasserströmung, wodurch die Effizienz des Propellers sinkt. Der Wasserverdrängungskörper kann beispielsweise ein Teil des Boots- bzw. Schiffsrumpfes sein oder auch ein Befestigungsteil für den Propeller. Ein weiteres Problem, welches Antriebseinheiten für Wasserkraftfahrzeuge des Standes der Technik aufweisen besteht darin, dass beim Anfahren des Antriebs, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in Relation zu dem Schiff beziehungsweis zu dem Boot im Wesentlichen Null, oder sehr gering ist, zusätzliche Verwirbelungen im Ansaugbereich des Propellers entstehen. Dies bewirkt eine inhomogene Anströmung des Propellers, wodurch die Effizienz der Antriebseinheit in diesem Anfahrzustand stark sinkt.
Das Dokument FR 1378903 A offenbart eine Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug mit einem Propeller, welcher innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist.
Die JP S57158191 A offenbart ebenfalls eine Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug bereitzustellen, welche diese Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Bereitstellung einer Antriebseinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug umfasst einen Wasserverdrängungskörper mit einem darin zumindest teilweise aufgenommenen Antrieb sstrang. Der Wasserverdrängungskörper erstreckt sich in einer Betriebslage der Antriebseinheit aus einem Unterwasserraum in Richtung einer Wasseroberfläche. Die Antriebseinheit umfasst zudem ein Gehäuse, welches eine Wassereintrittsöffnung, eine Wasseraustrittsöffnung, und eine von der Wassereintrittsöffnung zur Wasseraustrittsöffnung verlaufende Hauptströmungsrichtung aufweist. Das Gehäuse ist mit dem Wasserverdrängungskörper in einem, in der Betriebslage der Wasseroberfläche zugewandten Bereich des Gehäuses verbunden, wobei das Gehäuse in einem Gehäuseinnenraum zwischen der Wassereintrittsöffnung und der Wasseraustrittsöffnung eine Nabe und von der Nabe ausgehend, im Wesentlichen radial verlaufend angeordnete Wasserleitelemente aufweist. Diese Wasserleitelemente gewährleisten eine laminare Strömung innerhalb des Gehäuses. Zumindest eines dieser Wasserleitelemente weist eine Querschnittswölbung auf, welche vorzugsweise ausgehend von der Nabe im Wesentlichen kontinuierlich abnimmt. Hierdurch kann die Wasserverdrängung des Wasserverdrängungskörpers und/oder der Nabe kompensiert werden, wodurch eine im Wesentlichen axiale Anströmung des Propellers erreicht wird. Gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante der erfmdungsgemäßen Antriebseinheit weist zumindest eines der Wasserleitelemente einen von Null Grad verschiedenen Anstellwinkel in Relation zur Hauptströmungsrichtung auf. Dieser Anstellwinkel nimmt ausgehend von der Nabe vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich ab. Hierdurch wird die Wasserverdrängung des Wasserverdrängungskörpers zusätzlich kompensiert.
Vorzugsweise weisen Wasserleitelemente, welche einen geringeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper aufweisen, eine größere mittlere Querschnittswölbung auf, als Wasserleitelemente, welche einen größeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper aufweisen. Hierdurch ist die Querschnittswölbung von Wasserleitelementen in der Nähe des Wasserverdrängungskörpers größer als jene von Wasserleitelementen, welche von dem Wasserverdrängungskörpers abgewandt sind. Dies verbessert die Kompensation der Wasserverdrängung des Wasserverdrängungskörpers durch die Wasserleitelemente.
Vorzugsweise weisen Wasserleitelemente, welche einen geringeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper aufweisen, einen größeren mittleren Anstellwinkel in Relation zur Hauptströmungsrichtung auf, als Wasserleitelemente, welche einen größeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper aufweisen. Dies führt zu einer weiteren Verminderung des Einflusses des Wasserverdrängungskörpers auf die Strömung im Inneren des Gehäuses. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit weist das Gehäuse im Bereich der Verbindung mit dem Wasserverdrängungskörper einen Fortsatz auf, welcher sich entgegen der Hauptströmungsrichtung erstreckt. Durch das Gehäuse und den Fortsatz im Bereich der Verbindung mit dem Wasserverdrängungskörper, welcher sich entgegen der Hauptströmungsrichtung erstreckt, wird der Vorteil erreicht, dass im Anfahrzustand der Antriebseinheit eine im Wesentlichen homogene Strömung innerhalb des Gehäuses erreicht wird. Hierdurch wird die Effizienz beispielsweise eines nachgeordneten Propellers drastisch erhöht.
Vorzugsweise weist eine Außenfläche des Gehäuses im Bereich des Fortsatzes einen größeren Abstand von einer zentralen Achse des Gehäuses auf als die Außenfläche auf einer dem Fortsatz gegenüberliegenden Seite des Gehäuses. Hierdurch wird ein Strömungswiderstand einer entgegen der Hauptströmungsrichtung gerichteten Wasserströmung im Bereich des Fortsatzes außerhalb des Gehäuses erhöht, wodurch im Wesentlichen nur Wasser in das Gehäuse eingesaugt wird, welches sich in der Hauptströmungsrichtung vor der Wassereintrittsöffnung befindet.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit steigt der Abstand der Außenfläche von der zentralen Achse des Gehäuses im Bereich des Fortsatzes ausgehend von einem in Hauptströmungsrichtung vordersten Punkt des Gehäuses in der Hauptströmungsrichtung zuerst an, erreicht in weiterer Folge ein Maximum und sinkt danach ab. Hierdurch wird der Strömungswiederstand der Antriebseinheit im Betrieb bei konstanter Geschwindigkeit reduziert.
Der Abstand der Außenfläche von der zentralen Achse des Gehäuses an der dem Fortsatz gegenüberliegenden Seite des Gehäuses weist ein Maximum vorzugsweise an einer Stelle auf, welche in der Hauptströmungsrichtung nach dem Maximum des Abstandes der Außenfläche von der zentralen Achse des Gehäuses an der den Fortsatz aufweisenden Seite des Gehäuses angeordnet ist. Hierdurch wird eine asymmetrische Form des Gehäuses realisiert, welche die Homogenität der Wasserströmung im Bereich zwischen dem Gehäuse und der Wasseroberfläche verbessert.
Der Wasserverdrängungskörper ist zudem vorzugsweise von dem Fortsatz zumindest abschnittsweise umschlossen, wobei der Fortsatz vorzugsweise symmetrisch um den Wasserverdrängungskörper verläuft. Hierdurch wird der Strömungswiderstand des Wasserverdrängungskörpers im Bereich der Anschlussstelle an das Gehäuse reduziert, und Wasserverwirbelungen werden vermindert. Der Fortsatz des Gehäuses weist gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit eine in der Hauptströmungsrichtung gemessene Tiefe auf, welche entlang eines Umfangs der Wassereintrittsöffnung gesehen bei einer Annäherung an den Wasserverdrängungskörper zuerst ansteigt, im Bereich der Verbindung des Gehäuses mit dem Wasserverdrängungskörper ein Maximum erreicht, und danach wieder absinkt. Hierdurch wird der Strömungswiederstand des Fortsatzes vermindert.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit sowie bevorzugte und alternative Ausführungsvarianten werden in weiterer Folge anhand der Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug in einer Seitenansicht.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug in einer perspektivischen Ansicht.
Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug in einer Draufsicht.
Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug in einer Frontal ansicht.
Figur 5a zeigt einen Querschnitt durch eine Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug gemäß dem Stand der Technik.
Figur 5b zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Wasserfahrzeug.
Figur 6 zeigt einen Stromlinienverlauf im Bereich der erfindungsgemäßen Antriebseinheit. Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch ein Wasserleitelement der erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 für ein Wasserfahrzeug in einer Seitenansicht. Die Antriebseinheit 1 umfasst einen Wasserverdrängungskörper 2, in welchem ein in den Figuren nicht ersichtlicher Antriebsstrang zumindest teilweise aufgenommen ist. Der Antrieb sstrang kann beispielsweise eine Antriebswelle und/oder einen Motor wie einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor umfassen. Der Wasserverdrängungskörper 2 erstreckt sich in einer Betriebslage der Antriebseinheit 1 aus einem Unterwasserraum in Richtung einer Wasseroberfläche. Die Wasseroberfläche ist in den Figuren nicht gesondert dargestellt. Der in Figur 1 ersichtliche Teil der Antriebseinheit 1 ist in der Betriebslage dargestellt, und ist in dieser vorzugsweise vollständig unter Wasser beziehungsweise vollständig in dem Unterwasserraum befindlich. Die Antriebseinheit 1 umfasst ein Gehäuse 3, welches eine Wassereintrittsöffnung 4, eine Wasseraustrittsöffnung 5, und eine von der Wassereintrittsöffnung 4 zur Wasseraustrittsöffnung 5 verlaufende Hauptströmungsrichtung H aufweist. Das Gehäuse 3 ist mit dem Wasserverdrängungskörper 2 in einem in der Betriebslage der Wasseroberfläche zugewandten Bereich 6 des Gehäuses 3 verbunden, wie in Figur 1 ersichtlich. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse 3 der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 in einem Gehäuseinnenraum zwischen der Wassereintrittsöffnung 4 und der Wasseraustrittsöffnung 5 eine Nabe 10 und von der Nabe 10 ausgehend, im Wesentlichen radial verlaufend angeordnete Wasserleitelemente 11 auf. Die Wasserleitelemente 2 sind beispielsweise in Figur 2, in Figur 4 und in Figur 5b ersichtlich. Figur 7 zeigt zudem einen Querschnitt durch eines der Wasserleitelemente 11. Die Integration der Wasserleitelemente 11 in die erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 stellt den Vorteil bereit, dass die Wasserleitelemente 11 eine Lenkung der Wasserströmung und eine Beeinflussung der Wasserströmungsverhältnisse in dem Gehäuseinnenraum ermöglichen. Wie aus der Figur 7 ersichtlich, weist erfindungsgemäß zumindest eines der Wasserleitelemente 11 eine Querschnittswölbung 12 auf. Die Wasserleitelemente 11 sind vorzugsweise in Tragflächenform ausgebildet, welche in Figur 11 im Querschnitt ersichtlich ist. Um eine Strömungslenkung beziehungsweise eine Beeinflussung der Strömungsrichtung durch die Wasserleitelemente 11 zu ermöglichen, ist die Querschnittswölbung 12 derart gewählt werden, dass eine Umlenkung der Wasserströmung an zumindest einem der Wasserleitelemente 11 erfolgt. Diese Querschnittswölbung 12 des zumindest einen Wasserleitelements 11 nimmt ausgehend von der Nabe 10 im Wesentlichen kontinuierlich ab. Hierdurch wird eine größere Umlenkung der Wasserströmung im Bereich der Nabe 10 erreicht, und in der Nähe der Innenwand des Gehäuses 3 wird die Wasserströmung nur wenig beeinflusst. Da der Wasserverdrängungskörper 2 die Richtung der Wasserströmung beeinflussen kann ermöglicht dies eine Kompensation des Einflusses des Wasserverdrängungskörpers 2 auf die Ausrichtung der Wasserströmung bezogen auf die Hauptströmungsrichtung H.
Vorzugsweise weist zumindest eines der Wasserleitelemente 11 darüber hinaus einen von Null Grad verschiedenen Anstellwinkel a in Relation zur Hauptströmungsrichtung H auf. Der Anstellwinkel a ist in Figur 7 gesondert dargestellt. Der Anstellwinkel a ermöglicht eine zusätzliche Umlenkung der Wasserströmung durch die Wasserleitelemente 11. Vorzugsweise nimmt der Anstellwinkel a des zumindest einen Wasserleitelements 11 ausgehend von der Nabe 10 im Wesentlichen kontinuierlich ab. Hierdurch weisen die Wasserleitelemente 11 einen verdrehten oder verdrillten Verlauf auf. Der höhere Anstellwinkel a im Bereich der Nabe 10 ermöglicht eine Kompensation des Einflusses des Wasserverdrängungskörpers 2 auf die Richtung der Wasserströmung bezogen auf die Hauptströmungsrichtung H in dem Gehäuse 3.
Zudem weisen Wasserleitelemente 11, welche einen geringeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper 2 aufweisen, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 eine größere mittlere Querschnittswölbung 12 auf, als Wasserleitelemente 11, welche einen größeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper 2 aufweisen. Die Wasserleitelemente 11, welche einen geringeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper 2 aufweisen sind in Figur 4 jene Wasserleitelemente 11, welche im oberen Bereich der Figur 4, im Umfeld um den Wasserverdrängungskörper 2 angeordnet sind. Grundsätzlich kann die mittlere Querschnittswölbung 12 von Wasserleitelementen 11, welche unten, dem Wasserverdrängungskörper 2 gegenüberliegend angeordnet sind beispielsweise Null betragen, und für Wasserleitelemente 11, welche einen geringeren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper 2 aufweisen, nach oben hin kontinuierlich zunehmen. Hierdurch wird der Einfluss des Wasserverdrängungskörpers 2 auf die Wasserströmung vermindert, und eine gleichmäßige, wirbelfreie, und axial ausgerichtete Strömung zwischen der
Wassereintrittsöffnung 4 und der Wasseraustrittsöffnung 5 erzeugt. Wenn diese gleichmäßige, wirbelfreie Strömung auf den Propeller 8 trifft, erhöht dies die Effizienz der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1.
Vorzugsweise weisen zudem Wasserleitelemente 11, welche einen geringeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper 2 aufweisen, einen größeren mittleren Anstellwinkel a in Relation zur Hauptströmungsrichtung H auf, als Wasserleitelemente 11, welche einen größeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper 2 aufweisen. Dies führt zu einer weiteren Verminderung des Einflusses des Wasserverdrängungskörpers 2 auf die Strömung im Inneren des Gehäuses 3.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit weist das Gehäuse 3 im Bereich 6 der Verbindung mit dem Wasserverdrängungskörper 2 einen in den Figuren 1 bis 4, 5b und 6 dargestellten Fortsatz 7 auf, welcher sich entgegen der Hauptströmungsrichtung H erstreckt. Beim Anfahren der Antriebseinheit 1 für ein Wasserfahrzeug aus einem Ruhezustand, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in Relation zur Antriebseinheit 1 im Wesentlichen Null beträgt, wird durch die Antriebseinheit 1 ein Sog erzeugt, welcher Wasser durch das Gehäuse 3 in der Hauptströmungsrichtung H befördert. Hierbei wird Wasser im Umfeld der Wassereintrittsöffnung 4 in das Gehäuse 3 befördert. Da im Ruhezustand der
Antrieb svorrichtung 1 das Wasser im Umfeld der Wassereintrittsöffnung 4 sich in Relation zur Antriebseinheit 1 nicht oder nur mit sehr geringer Geschwindigkeit bewegt, herrscht beim Anfahren der Antriebseinheit 1 eine sehr große Ansaugwirkung durch die Antriebseinheit 1. Somit wird auch Wasser in die Antriebseinheit 1 an der Wassereintrittsöffnung 4 eingesaugt, welches sich nicht unmittelbar vor der Wassereintrittsöffnung 4 oder um Umfeld von dieser befindet. Hingegen wird auch Wasser eingesaut, welches sich beispielsweise neben dem Gehäuse 3, zwischen der Wassereintrittsöffnung 4 und der Wasseraustrittsöffnung 5 befindet. Dieses wird zuerst außerhalb des Gehäuses 3 entgegen der Hauptströmungsrichtung H bewegt und kehrt dann an der Wasseraustrittsöffnung 4 seine Bewegungsrichtung im Wesentlichen um. Dieser Effekt ist in Figur 5a dargestellt, welche die Wassereintrittsöffnung 4 einer Antriebseinheit gemäß dem Stand der Technik ohne den erfindungsgemäßen Fortsatz 7 zeigt. Wie in Figur 5a ersichtlich ist, erzeugt diese Umkehrung der Flussrichtung des Wassers an der Wassereintrittsöffnung 4 Verwirbelungen in der Wasserströmung, welche sich im Gehäuseinneren zwischen der Wassereintrittsöffnung 4 und der Wasseraustrittsöffnung 5 fortsetzen. Hierdurch trifft eine inhomogene, nicht laminare Strömung auf einen in dem Gehäuse 3, oder in Hauptströmungsrichtung H nach dem Gehäuse 3 angeordneten Propeller 8, welcher in Figur 5a ebenfalls ersichtlich ist. Alternativ kann statt dem Propeller 8 auch jede andere dem Fachmann allgemein bekannte, unter Wasser angeordnete Antriebsvorrichtung vorgesehen sein, welche zum Generieren von Vortrieb für ein Wasserfahrzeug geeignet ist. Durch die nicht laminare Strömung beziehungsweise nicht wirbelfreie Strömung wird die Effizienz des Propellers 8 beziehungsweise der Antrieb Vorrichtung, und somit der Antriebseinheit 1 insgesamt beim Anfahren drastisch reduziert. Dies führt zu einem hohen Treibstoffverbrauch und zu einer geringen Beschleunigung des Wasserfahrzeugs aus dem Ruhezustand. Im Gegensatz hierzu gewährleistet der Fortsatz 7, wie in Figur 5b ersichtlich, in welcher die erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 gezeigt ist, dass keine Wirbel im Gehäuseinneren zwischen der Wassereintrittsöffnung 4 und der Wasseraustrittsöffnung 5 entstehen. Wie in Figur 6 ersichtlich ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Form des Gehäuses 3 zudem im Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 einen Stromlinienverlauf, welcher ein Minimum an Ablenkungen durch die erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 aufweist, und somit einen geringen Strömungswiderstand gewährleistet.
Wie in Figur 1 ebenfalls ersichtlich ist, weist eine Außenfläche 9 des Gehäuses 3 im Bereich des Fortsatzes 7 einen größeren Abstand Ai von einer zentralen Achse Z des Gehäuses 3 auf als die Außenfläche 9 auf einer dem Fortsatz 7 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 3. Der Abstand der Außenfläche 9 auf der dem Fortsatz 7 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 3 ist in Figur 1 mit A2 bezeichnet. Hierdurch wird ein asymmetrischer Querschnitt der Gehäuses 3 im rechten Winkel auf die Hauptströmungsrichtung H gesehen, erreicht, wodurch Wasser im Bereich 6 der Verbindung des Gehäuses 3 mit dem Wasserverdrängungskörper 2, welches sich in Hauptströmungsrichtung H nach der Wassereintrittsöffnung 4 befindet, im Anfahrzustand einen längeren Weg zurücklegen muss, um in das Gehäuse 3 zu gelangen. Der Abstand Ai der Außenfläche 9 von der zentralen Achse Z des Gehäuses 3 im Bereich des Fortsatzes 7 steigt zudem vorzugsweise ausgehend von einem in Hauptströmungsrichtung H vordersten Punkt des Gehäuses 3 in der Hauptströmungsrichtung H zuerst an, erreicht in weiterer Folge ein Maximum, und sinkt danach ab. Hierdurch wird ein geringer Strömungswiderstand des Gehäuses 3 in der Hauptströmungsrichtung H im Betrieb erreicht. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 weist der Abstand A2 der Außenfläche 9 von der zentralen Achse Z des Gehäuses 3 an der dem Fortsatz 7 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 3 ein Maximum an einer Stelle auf, welche in der Hauptströmungsrichtung H nach dem Maximum des Abstandes Ai der Außenfläche 9 von der zentralen Achse Z des Gehäuses 3 an der den Fortsatz 7 aufweisenden Seite des Gehäuses 3 angeordnet ist. Der Abstand Ai und der Abstand A2 sind in Figur 1 an den Stellen des jeweiligen Maximums eingezeichnet. Hierdurch werden eine unterschiedliche Strömungsverhältnisse an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 3 erreicht, wodurch Asymmetrien, welche durch den Wasserverdrängungskörper 2 entstehen, kompensiert werden können.
Wie in Figur 1 und Figur 3 ersichtlich, ist der Wasserverdrängungskörper 2 gemäß der in diesen Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 von dem Fortsatz 7 zumindest abschnittsweise umschlossen, wobei der Fortsatz 7 vorzugsweise symmetrisch um den Wasserverdrängungskörper 2 verläuft. Hierdurch wird ein fließender, symmetrischer Übergang zwischen dem Wasserverdrängungskörper 2 und dem Fortsatz 7 beziehungsweise dem Gehäuse 3 erreicht, wodurch der Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 reduziert wird.
Wie in Figur 3 im Detail ersichtlich, weist der Fortsatz 7 des Gehäuses 3 eine in der Hauptströmungsrichtung H gemessene Tiefe T auf, welche entlang eines Umfangs der Wassereintrittsöffnung 4 gesehen bei einer Annäherung an den Wasserverdrängungskörper 2 zuerst ansteigt, im Bereich 6 der Verbindung des Gehäuses 3 mit dem Wasserverdrängungskörper 2 ein Maximum erreicht, und danach wieder absinkt. Hierdurch wird der Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 weiter reduziert.

Claims

Patentansprüche:
1. Antriebseinheit (1) für ein Wasserfahrzeug, wobei die Antriebseinheit (1) einen Wasserverdrängungskörper (2) mit einem darin zumindest teilweise aufgenommenen Antrieb sstrang umfasst, und der Wasserverdrängungskörper (2) sich in einer Betriebslage der Antriebseinheit (1) aus einem Unterwasserraum in Richtung einer Wasseroberfläche erstreckt, und wobei die Antriebseinheit (1) ein Gehäuse (3) umfasst, welches eine Wassereintrittsöffnung (4), eine Wasseraustrittsöffnung (5), und eine von der Wassereintrittsöffnung (4) zur Wasseraustrittsöffnung (5) verlaufende Hauptströmungsrichtung (H) aufweist, wobei das Gehäuse (3) mit dem Wasserverdrängungskörper (2) in einem in der Betriebslage der Wasseroberfläche zugewandten Bereich (6) des Gehäuses (3) verbunden ist, wobei das Gehäuse (3) in einem Gehäuseinnenraum zwischen der Wassereintrittsöffnung (4) und der Wasseraustrittsöffnung (5) eine Nabe (10) und von der Nabe (10) ausgehend, im Wesentlichen radial verlaufend angeordnete Wasserleitelemente (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Wasserleitelemente (11) eine Querschnittswölbung (12) aufweist, welche ausgehend von der Nabe (10) im Wesentlichen kontinuierlich abnimmt.
2. Antriebseinheit (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Wasserleitelemente (11) einen von 0 Grad verschiedenen Anstellwinkel (a) in Relation zur Hauptströmungsrichtung (H) aufweist.
3. Antriebseinheit (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (a) des zumindest einen Wasserleitelements (11) ausgehend von der Nabe (10) im Wesentlichen kontinuierlich abnimmt.
4. Antriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserleitelemente (11), welche einen geringeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper (2) aufweisen, eine größere mittlere Querschnittswölbung (12) aufweisen, als Wasserleitelemente (11), welche einen größeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper (2) aufweisen.
5. Antriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserleitelemente (11), welche einen geringeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper (2) aufweisen, einen größeren mittleren Anstellwinkel (a) in Relation zur Hauptströmungsrichtung (H) aufweisen, als Wasserleitelemente (11), welche einen größeren mittleren Abstand von dem Wasserverdrängungskörper (2) aufweisen.
6. Antriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) im Bereich (6) der Verbindung mit dem Wasserverdrängungskörper (2) einen Fortsatz (7) aufweist, welcher sich entgegen der Hauptströmungsrichtung (H) erstreckt.
7. Antriebseinheit (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche (9) des Gehäuses (3) im Bereich des Fortsatzes (7) einen größeren Abstand (Ai) von einer zentralen Achse (Z) des Gehäuses (3) aufweist als die Außenfläche (9) auf einer dem Fortsatz (7) gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (3).
8. Antriebseinheit (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (Ai) der Außenfläche (9) von der zentralen Achse (Z) des Gehäuses (3) im Bereich des Fortsatzes (7) ausgehend von einem in Hauptströmungsrichtung (H) vordersten Punkt des Gehäuses (3) in der Hauptströmungsrichtung (H) zuerst ansteigt, in weiterer Folge ein Maximum erreicht und danach absinkt.
9. Antriebseinheit (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A2) der Außenfläche (9) von der zentralen Achse (Z) des Gehäuses (3) an der dem Fortsatz (7) gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (3) ein Maximum an einer Stelle aufweist, welche in der Hauptströmungsrichtung (H) nach dem Maximum des Abstandes (Ai) der Außenfläche (9) von der zentralen Achse (Z) des Gehäuses (3) an der den Fortsatz (7) aufweisenden Seite des Gehäuses (3) angeordnet ist.
10. Antriebseinheit gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserverdrängungskörper (2) von dem Fortsatz (7) zumindest abschnittsweise umschlossen ist, wobei der Fortsatz (7) vorzugsweise symmetrisch um den Wasserverdrängungskörper (2) verläuft.
11. Antriebseinheit gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (7) des Gehäuses (3) eine in der Hauptströmungsrichtung (H) gemessene Tiefe (T) aufweist, welche entlang eines Umfangs der Wassereintrittsöffnung (4) gesehen bei einer Annäherung an den Wasserverdrängungskörper (2) zuerst ansteigt, im Bereich (6) der Verbindung des Gehäuses (3) mit dem Wasserverdrängungskörper (2) ein Maximum erreicht, und danach wieder absinkt.
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