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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schuberzeugung bei Manövriertriebwerken für Wasserfahrzeuge, bei dem Treibwasser und Saugwasser einem Misch- und einem sich hieran anschliessenden Diffusorabschnitt eines Triebwerkes zugeführt werden, und ein hiefür ausgebildetes Manövriertriebwerk, bestehend aus einem Gehäuse mit einem vorderen Teil, der als Saugabschnitt ausgebildet ist und der einen Treibwasser führenden Ringkanal aufweist, dessen von dem Ringkanal umschlossener Innenraum vorderseitig mit einer Eintrittsöffnung und mit einer Austrittsöffnung an dem der Eintrittsöffnung gegenüberliegenden Ende für einen Saugwasserstrahl versehen ist und der benachbart zur Austritts- öffnung einen diese ringförmig umschliessenden Austrittsschlitz für das Treibwasser aufweist, und mit einem hinteren Teil, der als Diffusordüse mit einer Austrittsöffnung ausgebildet ist.
Zur Erzeugung eines Schubes mit Hilfe eines Strahltriebwerkes bei Wasserfahrzeugen ist es bekannt, eine niedrig belastete Axialpumpe einzusetzen. Die damit erreichbaren Wirkungsgrade liegen bereits so hoch, dass kaum noch Steigerungen möglich sind. Bei konstanten Strahlerzeugungswirkungsgraden ist der erreichbare Schub bzw. die Antriebsleistung eine Frage der Leistungsbelastung der Strahlerzeugungsfläche und der Geschwindigkeit. Für Manövriertriebwerke kann die Geschwindigkeit als Kriterium in erster Näherung entfallen, da die Anströmgeschwindigkeit bei diesen Triebwerken im Verhältnis zu den Strahlgeschwindigkeiten sehr niedrig liegen.
Propellertriebwerke haben ihre spezifischen Vorzüge, jedoch in manchen Anwendungsbereichen auch gravierende Nachteile, wie grosse Durchmesser, erforderliche ausreichende Tauchung, grosse beförderte Masse, grosse Steuerkräfte, schwere Leistungsübertragungseinheiten u. dgl. Ein Versuch, diese Nachteile zu vermeiden, führte stets zu einem höher belasteten Triebwerk. Dabei sind bei Propellertriebwerken Belastungen bis 370 kW/m2 Strahlfläche möglich. Darüber hinaus muss zu andern Pumpentypen übergegangen werden. Die bei einstufigen Propellertriebwerken erreichbaren Strahlgeschwindigkeiten im Stand liegen bei etwa 10 m/s. Mit Diagonalpumpen kann dieser Bereich bis auf 20 m/s gesteigert werden. Mit Radialpumpen können Strahlgeschwindigkeiten von über 50 m/s erreicht werden. Die erforderlichen Arbeitsdrücke liegen in der Strahlerzeugungsebene bei 0, 5 bis 20 bar.
Je höher der Strahlerzeugungsdruck und damit die Strahlgeschwindigkeit des Triebwerkes ist, desto geringer werden auch die Verstellkräfte bei einem Manövriertriebwerk und desto geringer wird der Wasserdurchsatz. Der grösste Nachteil allerdings ist die Tatsache, dass auch der Schub pro Wellen-kW rapide dabei abnimmt. Ein Triebwerk, das mit etwa 5 bar Strahlerzeugungsdruck entsprechend einer Strahlgeschwindigkeit von etwa 30 m/s arbeitet, erzeugt nur noch etwa 45 N Standschub je kW Antriebsleistung.
Dies ist der entscheidende Grund, weshalb Radialpumpen und auch Diagonalpumpen in die Propulsionstechnik nur in sehr geringem Masse Eingang gefunden haben.
Die Bemühungen gingen daher dahin, den entscheidenden Nachteil der hochbelasteten Strahltriebe, d. h. die geringen Schubausbeuten, durch geeignete Ausgestaltung der Strahlaustrittsvorrichtungen zu beheben oder zu mildern. Als Hilfsmittel bot sich hier vor allem die Ausnutzung des Ejektoreffektes an, bei dem ein hochbelasteter Treibstrahl durch eine geeignete Mischdüse zusätzlich Wasser ansaugt und zur Schuberzeugung heranzieht. Derartige Ejektorwirkungen sind in der Windkanaltechnik für Hochgeschwin- digkeits-Windkanäle untersucht und angewendet worden. Im Bereich der Wasserstrahltriebwerke sind erst in jüngster Zeit eingehende Untersuchungen von Witte (Zeitschrift "Marine Technology", Juli 1969, S. 291 bis 302) und Lorenz (DE-AS 2234828) durchgeführt worden.
Die von Witte durchgeführten Kanaluntersuchungen mit Ejektortriebwerken beschränken sich auf Ejektoren mit zentraler Treibstrahleinblasung, während die Arbeiten von Lorenz von der Anwendung des Ejektorprinzips für Querstrahlruder ausgingen und den Mehrloch-Randstrahlejektor sowie den Ejektor mit schlitzförmigem Treibstrahlaustritt über den vollen Querrohrumfang umfassten. Dabei wurde von Ejektortriebwerken von sehr grosser Länge im Verhältnis zum Saugrohrdurchmesser ausgegangen, die eine Anwendung als drehbare Manövriertriebwerke nicht zulässt.
Die bekannten Ejektortriebwerke bestehen aus einem Saugrohr mit einem abgerundeten Einlauf, mit einer Mischstrecke und einem anschliessenden Diffusor. In das Saugrohr mündet eine Treibstrahldüse, die entweder in der Mitte des Saugrohres in dessen Einlass oder am Rand spaltförmig ausgebildet über den Umfang des Saugrohres verteilt oder auch in Form von über den Umfang verteilten Einzeldüsen angeordnet ist.
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Die Bemühungen, die Länge des Triebwerkes zu verkürzen, konnten nur dann erfolgreich sein, wenn es gelang, die Mischstrecke zu verkürzen oder ganz zu eliminieren, sowie den Öffnungswinkel des Diffusors ohne Wirkungsgradverlust so gross zu machen, dass ein genügend grosses Verhältnis der Diffusorendfläche zur Fläche des Saugrohres mit einem möglichst kurzen Diffusor verwirklicht werden konnte. Ein besonders günstiger Wirkungsgrad war zu erreichen, wenn es gelang, die von dem sehr schnellen Treibstrahl berührten Wandflächen so klein wie möglich zu halten oder diese nach Möglichkeit ganz zu eliminieren.
Ein Mittelstrahlejektor führt notwendigerweise zu einem Strömungsprofil im Saugrohr, das nur ganz geringe Diffusor-Öffnungswinkel erlaubt. Bei mehr als 3 Öffnungswinkel bricht der Diffusor-Wirkungsgrad sehr schnell zusammen. Die Berührung zwischen dem schnellen Treibstrahl und einer Wandfläche beschränkt sich auf das Mundstück der Düse. Die Ejektorwandung wird nur mit der Mischgeschwindigkeit beaufschlagt. Da jedoch bei den bekannten langen Ejektoren die Wandflächen sehr gross sind, ist auch hier die Folge, dass der Wirkungsgrad des Triebwerkes durch Wandreibung wesentlich herabgesetzt wird.
Der Randstrahlejektor nach Lorenz sowie seine Abwandlung als Mehrlochejektor führen zu einem Strömungsprofil im Saugrohr, das sowohl kurze Mischlängen als auch grössere Diffusorwinkel erlaubt und könnte daher zu kürzeren Baulängen des Triebwerkes führen. Ihr Nachteil ist jedoch die Beaufschlagung ausgedehnter Saugrohrflächen mit der vollen Treibstrahlgeschwindigkeit, so dass über die dabei entstehende Wandreibung ein grosser Teil des Triebwerkschubes wieder verlorengeht. Eine über die für die Funktion notwendige Länge hinausgehende Längenabmessung, wie es bei einem Querrohr im Schiff durch die Breite des Schiffes notwendig sein kann, führt in jedem Fall zu einem erheblichen zusätzlichen Schubverlust.
Es ist ein Reaktionsantrieb für Wasserfahrzeuge mit einem ausserhalb des Schiffskörpers angeordneten Düsenrohr, dessen Durchlasskanal zwischen der Eintrittsöffnung und der Auslassöffnung einen divergierenden und anschliessend konvergierenden Teil aufweist, wobei der Durchlasskanal mindestens eine Öffnung für die Einführung eines unter Druck stehenden Mediums aufweist, bekannt geworden, bei dem jede Öffnung als Düse ausgebildet ist, deren Strahlrichtung zur Auslassöffnung weist und im wesentlichen parallel zur Achse des Düsenrohres verläuft, wobei die Düse mit der Druckseite einer am Schiffskörper befestigten, durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Pumpe verbunden ist, welche Wasser aus der Umgebung des Wasserfahrzeuges ansaugt und der Düse zuführt, wogegen sich die Mündungsöffnung der Düse in dem Bereich der axialen Länge des Durchlasskanals befindet,
der den grössten Querschnitt aufweist. Bei diesem bekannten Antrieb handelt es sich um ein Staustrahl-Triebwerk mit einem guten Propulsionswirkungsgrad bei höheren Schiffsgeschwindigkeiten, jedoch nicht um ein Manövriertriebwerk, das auf maximalen Standschub hin optimiert ist und mit einer möglichst kleinen Strahlgeschwindigkeit arbeitet. Dieses bekannte Triebwerk benutzt zwar den gleichen physikalischen Effekt des Schubgewinnes durch Massevermehrung bei entsprechender Geschwindigkeitsreduktion ; es ist aber so gestaltet, dass es immer noch eine erhebliche Strahlgeschwindigkeit erzeugt. Hiezu ist am Strahlaustritt eine Düse vorgesehen. Im Prinzip wird in diesem Triebwerk hochkonzentrierte Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie mittlerer Konzentration umgewandelt.
Ferner ist eine Einrichtung an Flüssigkeits-Einspritz-Triebwerken für Wasserfahrzeuge zur Anwendung des umgekehrten Prinzips der Arbeitsweise von Wasserstrahlpumpen vorgeschlagen worden, die durch die Anordnung einer vorzugsweise vor dem engsten Querschnitt der Schubdüse angebrachten ringschlitzförmigen Öffnung, die mit nach hinten ausgestossenem Strahlwasser die umschlossene Wassermenge mitreisst und damit Vorschubkraft erzeugt, gekennzeichnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Manövriertriebwerk mit einem hohen Schub und mit einem günstigen Wirkungsgrad für Wasserfahrzeuge und ein Verfahren zur Erzielung dieses hohen Schubes zu schaffen, bei dem die von dem sehr schnellen Treibwasserstrahl berührten Wandflächen des Triebwerkes sehr klein gehalten bzw. ganz eliminiert sind und mit dem ein optimales Strömungsprofil bei einer kurzen Mischlänge und bei grossem Diffusorwinkel erhalten wird.
Das zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene Verfahren besteht darin, dass das Saugwasser in zwei Strömungsabschnitte aufgeteilt wird, von denen der erste Saugwasserstrahl von dem ringförmigen Treibwasserstrahl eingehüllt wird, während der zweite Saugwasserstrahl wieder den Treibwasserstrahl von aussen einhüllt,
wobei im einzelnen der zentrale Saugwasserstrahl einem Saugabschnitt zugeführt und im Austrittsbereich dieses Saugabschnittes sowie in dem unmittelbar hieran anschliessenden Diffusorabschnitt
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mit einem gegenüber dem Saugabschnittsaustrittsbereich etwas grösseren Diffusorabschnittseintrittsbereich dem Diffusorbereich mit leichter Aufweitung zu der seitlichen Begrenzungsfläche des Diffusorabschnittes hinzugeführten und den zentralen Saugwasserstrahl ringförmig umgebenden Treibwasserstrahl zugeführt
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ausgebildeten Ringspalt zugeführten zweiten Saugwasserstrahl zugeleitet wird.
Das zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Manövriertriebwerk ist erfindungsgemäss in der Weise ausgebildet, dass der hintere Teil des Triebwerkgehäuses mit einer gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung einen kleineren Durchmesser aufweisenden Eintrittsöffnung versehen ist, die etwa im Bereich der Austrittsöffnung des vorderen Triebwerkteiles angeordnet ist und gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung einen grösseren Durchmesser unter Ausbildung eines ringförmigen oberhalb oder im Bereich des Austrittsschlitzes des Ringkanals liegenden Eintrittsschlitzes für einen weiteren Saugwasserstrahl aufweist.
Mit dem Erfindungsgegenstand ist ein Manövriertriebwerk geschaffen, das bei guter Schubausbeute eine kleine Baulänge aufweist, und bei dem der Wirkungsgrad günstig gestaltet ist, wobei die Wandflächen des Diffusors von dem sehr schnellen Treibwasserstrahl nicht berührt werden. Bei dem Manövriertriebwerk erfolgt keine Beaufschlagung der Ejektorwandung mit der vollen Treibstrahlgeschwindigkeit, wie dies bei einem Randstrahlejektor der Fall ist. Ausserdem wird ein optimales Strömungsprofil bei kurzer Mischlänge und grossem Diffusorwinkel erreicht, d. h., dass die reibenden Wandflächen sehr klein werden. Diese Ausbildung eines Triebwerkes ermöglicht dessen Einsatz als drehbares Manövriertriebwerk u. zw. insbesondere wegen der kurzen Länge des Triebwerkes selbst.
Das Manövriertriebwerk ermöglicht einen Hochgeschwindigkeitsstrahl geringen Volumens in einen Strahl mit niedriger absoluter Geschwindigkeit und entsprechend grösserem Volumen umzusetzen. Um diese niedrige Strahlgeschwindigkeit zu erreichen, ist das Manövriertriebwerk so gestaltet, dass extrem viel Wasser durchgesetzt wird, wobei der Hoch- leistungs-Diffusor-Abschnitt des Triebwerkes für eine möglichst weitgehende Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie und damit in Schub sorgt.
In dem erfindungsgemässen Manövriertriebwerk wird hochkonzentrierte Geschwindigkeitsenergie in Geschwindigkeitsenergie sehr geringer Konzentration umgewandelt, was dadurch erfolgt, dass das Saugwasser in zwei Strömungsabschnitte aufgeteilt wird, von denen der erste Saugwasserstrahl von dem ringförmigen Treibwasserstrahl eingehüllt wird, während der zweite Saugwasserstrahl wieder den Treibwasserstrahl von aussen einhüllt.
In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 ein Manövriertriebwerk in einem senkrechten Längsschnitt und Fig. 2a, 2b sowie 2c eine Gegenüberstellung der Strömungsprofile eines Mittelstrahlejektors und eines Ringstrahlejektors und eines Manövriertriebwerkes gemäss Fig. 1.
Das in Fig. 1 dargestellte Manövriertriebwerk ist mit --10-- bezeichnet und besteht aus einem vorderen Triebwerkteil --11-- und einem hinteren Triebwerkteil --12--.
Der vordere Triebwerkteil --11-- wird von einem ringförmigen Kanal --20-- gebildet, der den Triebwerkinnenraum --26-- umschliesst, so dass eine Eintrittsöffnung --21-- mit abgerundetem Einlauf und eine Austrittsöffnung --22-- gebildet ist. Der Ringkanal --20-- ist mit einem Zuführungsstutzen --23-- für Treibwasser --T-- versehen und weist an seinem, dem abgerundeten Einlauf entgegengesetzten Ende einen ringförmigen Schlitz --25-- für den Austritt des Treibwassers --T-- auf. Der von dem Ringkanal - -20-- umschlossene Innenraum --26-- stellt den Saugabschnitt dar, durch den ein erster Saugwasserstrahl --S1-- hindurchgeleitet wird.
An den vorderen Triebwerkteil --11-- schliesst sich der hintere Triebwerkteil --12-- an, der den Diffusor darstellt und aus einer Diffusordüse --30-- mit einer Eintrittsöffnung --31-- und einer Austrittsöffnung --32-- besteht. Die Eintrittsöffnung --31-- der Diffusordüse --30-- weist gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung --22-- des vorderen Triebwerkteils --11-- einen grösseren Durchmesser auf, so dass die Eintrittsöffnung --21-- in der von der Austrittsöffnung --22-- des vorderen Triebwerkteiles --11-- gebildeten Ebene zu liegen kommt, u.
zw. unter Ausbildung eines ringförmigen Spaltes --35-oberhalb des ringförmigen Schlitzes --25-- für den Eintritt des Treibwassers --T--. Der ringförmige Eintrittsschlitz --35-- dient für die Zuführung eines zweiten Saugwasserstrahles --S2-- in den Innenraum - der Diffusordüse-30--. Die Gesamtanordnung des vorderen Triebwerkteiles --11-- und des hinteren Triebwerkteiles --12-- ist dergestalt, dass der in den ringförmigen Eintrittsschlitz --35--
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eintretende Saugwasserstrahl --S2-- an der Innenwandfläche--30a--der Diffusordüse--30--in Pfeilrichtung X geführt wird.
Der Innenraum --36-- der Diffusordüse --30-- verbreitert sich konisch zur
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Führungsflächen so ausgestaltet, dass der aus dem ringförmigen Austrittsschlitz --25-- in Pfeilrichtung XI austretende Treibwasserstrahl --T-- bei gleichzeitigem Durchströmen des Saugwasserstrahles-Sl-in Pfeilrichtung X2 durch das Triebwerk nicht die Innenwandfläche --30a-- der Diffusordüse beaufschlagt,
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--30a-- der Diffusordüse --30-- entlangAufteilung des Saugwassers in zwei Strahlabschnitte-Sl und S2-- ergibt sich ein sehr günstiges Strömungsprofil (Fig. 2c) gegenüber den Strömungsprofilen bei einem Mittelstrahlejektor (Fig. 2a) und dem Strömungsprofil eines Ringstrahlejektors bekannter Bauart (Fig. 2b).
Ausserdem ergibt sich durch die Integration der Diffusordiise --30-- in den Saug- bzw. Mischabschnitt des vorderen Triebwerkes-11eine sehr kurze Baulänge des Gesamttriebwerkes, so dass dieses auch bei kleinen Schiffen als Manövriertriebwerk und insbesondere als drehbares Manövriertriebwerk verwendet werden kann. Dieses günstige Strömungsprofil bei dem Triebwerk ergibt sich auf Grund der Vermeidung der sonst auftretenden Reibung zwischen der Innenwandfläche des Diffusors und dem Treibstrahl.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Schuberzeugung bei Manövriertriebwerken für Wasserfahrzeuge, bei dem Treibwasser und Saugwasser einem Misch- und einem sich hieran anschliessenden Diffusorabschnitt eines Triebwerkes zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugwasser in zwei Strömungsabschnitte aufgeteilt wird, von denen der erste Saugwasserstrahl von dem ringförmigen Treibwasserstrahl eingehüllt wird, während der zweite Saugwasserstrahl wieder den Treibwasserstrahl von aussen einhüllt,
wobei im einzelnen der zentrale Saugwasserstrahl einem Saugabschnitt zugeführt und im Austrittsbereich dieses Saugabschnittes sowie in dem unmittelbar hieran anschliessenden Diffusorabschnitt mit einem gegenüber dem Saugabschnittsaustrittsbereich etwas grösseren Diffusorabschnittseintrittsbereich dem Diffusorbereich mit leichter Aufweitung zu der seitlichen Begrenzungsfläche des Diffusorabschnittes hinzugeführten und den zentralen Saugwasserstrahl ringförmig umgebenden Treibwasserstrahl zugeführt wird, der unter Ausschluss einer Berührung der Diffusorabschnittsseitenbegrenzungsfläche dem ringförmig in dem zwischen dem Saugabschnittsaustrittsbereich und dem Diffusorabschnittseintrittsbereich ausgebildeten Ringspalt zugeführten zweiten Saugwasserstrahl zugeleitet wird.