DE10016990A1

DE10016990A1 - Motorbetriebenes Wasserfahrzeug

Info

Publication number: DE10016990A1
Application number: DE2000116990
Authority: DE
Inventors: Arnold Schmalstieg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-25

Abstract

Bei einem motorbetriebenen Wasserfahrzeug ist es bekannt, den Propeller mit einer hülsenförmigen Ummantelung zu umgeben, die auch als Düse bezeichnet wird. Diese Ummantelung verringert eine für den Vorschub nicht wirksame Radialströmung des Wassers und bewirkt eine zusätzliche, für den Vorschub nützliche zusätzliche Axialströmung des Wassers. In der Praxis ist man bemüht, den Antrieb so auszubilden, dass während des Fahrbetriebs möglichst viel Sauerstoff in das Fahrwasser eingebracht und eine Kavitation im Bereich des Propellers verringert oder vermieden wird. Dabei ist in vielen Fällen die Einbringung von Sauerstoff in das Wasser nur bei höheren Fahrgeschwindigkeiten effektiv, während sie gerade bei geringen Fahrgeschwindigkeiten auf Binnengewässern unzureichend ist. DOLLAR A Aufgabe ist es, insbesondere auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten die Einbringung von Sauerstoff in das Wasser während des Fahrbetriebs zu verbessern und die Gefahr von Kavitation zu verringern. DOLLAR A Das Fahrzeug (1) ist mit aktiven Mitteln (9), insbesondere einem Druckluftkompressor, zum Zuführen von Druckluft in den zwischen Propeller (4) und Ummantelung (8) gebildeten Zwischenraum (11) versehen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem motorbetriebenen Wasserfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem motorbetriebenen Wasserfahrzeug ist es bekannt, den Antriebspro peller mit einer Ummantelung zu umgeben. Diese in der Schifffahrt allgemein mit Düse bezeichnete Ummantelung ist im Prinzip ein rotationssymmetrisches, hülsenförmiges Teil, das ortsfest am Schiffskörper gelagert ist, koaxial zur Antriebswelle des Propellers liegt und den Propeller ringsum umgibt. Durch diese Ummantelung oder Düse wird die vom Propeller ausgelöste Strömung des Wassers radial zur Propellerachse, die zum Vortrieb des Schiffes nicht beiträgt, verringert. Durch eine besondere Formgebung dieser Ummantelung kann außerdem die vom Propeller erzeugte Strömung des Wassers in Axialrichtung zur Propellerachse, die den Vortrieb des Schiffes bewirkt, gefördert und somit die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes erhöht werden.

Bei motorbetriebenen Wasserfahrzeugen ist es auch bekannt, den Antrieb so zu gestalten, dass im Fahrbetrieb möglichst viel Sauerstoff in das Fahrwasser gelangt. Dadurch wird insbesondere in Binnenseen dem häufig starken Sauer stoffmangel durch Gewächse in dem Wasser entgegengewirkt. Durch diese Maßnahme wird somit das ohnehin auf dem Wasser fahrende Boot oder Schiff ohne nennenswerten Mehraufwand und ohne Beeinflussung seines Wirkungs grads zusätzlich zur Verbesserung des biologischen Gleichgewichts des Fahr wassers ausgenutzt.

Bei motorbetriebenen Wasserfahrzeugen stellt die sogenannte Kavitation ein besonderes Problem dar, durch die ein Abrieb und eine Zerstörung von Bauteilen am Schiff ausgelöst werden kann. Durch die Turbulenzen im Wasser im Bereich des Propellers bilden sich Dampfblasen in Hohlräumen innerhalb des Wassers. Diese Hohlräume werden durch das umgebende Wasser mit einer sehr hohen Geschwindigkeit wieder aufgefüllt.

Durch diesen schnellen Vorgang kommt es örtlich zu implosionsartigen Vorgän gen, die zur Auswaschung, zu einem Abrieb und auch zur Zerstörung von Bau teilen an dem Schiffskörper führen können.

Zur Verringerung der Kavitation und zur Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit ist es auch bekannt (Zeitschrift "boote" 11/99, Seiten 34 bis 36), Motorabgasgase und Außenluft in den Bereich des Propellers zu leiten, um dadurch den Strömungs widerstand im Nachstrom des Propellers zu reduzieren. Diese Lösung erfüllt die genannten Aufgaben jedoch im Wesentlichen nur bei Fahrgeschwindigkeiten des Wasserfahrzeugs von weit mehr als 20 kn (1 Knoten = 1,852 km/h). Da jedoch auf Binnengewässern Höchstgeschwindigkeiten von 12 km/h festgelegt sind, bringt diese Lösung in diesem Anwendungsbereich praktisch keine Vorteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein motorbetriebenen Wasserfahr zeug so auszubilden, dass auch bei geringen Fahrgeschwindigkeiten des Fahr zeugs unter 12 km/h das Einbringen von Sauerstoff in das Fahrwasser während des Fahrbetriebs gefördert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird also mit aktiven Mitteln im Wasserfahr zeug, vorzugsweise mit einem Druckluftkompressor, Druckluft in den Zwischen raum zwischen Propeller und der Ummantelung oder Düse eingebracht. Druckluft enthält bekanntlich, wie auch die normale Atmosphärenluft, ungefähr 20% Sauerstoff. Durch diese Lösung wird erreicht, dass auch bei geringen Fahrgeschwindigkeiten unterhalb 12 km/h das Einbringen von Sauerstoff in das Fahrwasser nennenswert erhöht und außerdem die Gefahr von Kavitation verringert wird. Die Druckluft und der in ihr enthaltene Sauerstoff wird außerdem verteilt im Wasser abgegeben und kommt mit ständigen anderen Wassermolekühlen und gegebenenfalls Schadstoffpartikeln in Kontakt, etwa wie bei einem Wasserfall. Anders als bei statischer Luftzufuhr tritt so ein Flächeneffekt ein.

Durch die in den Zwischenraum zwischen Propeller und der Ummantelung eingebrachte Druckluft wird außerdem das Volumen des in den Propellerraum einströmenden Wassers erhöht, wodurch auch die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs erhöht werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung bekommt somit die ohnehin vorhandene Ummantelung eine Zusatzfunktion für die Lösung der genannten Aufgabe hinsichtlich Einbringung von Sauerstoff in das Fahrwasser und es tritt außerdem eine Verringerung des Kavitationseffektes ein. Die erfindungsgemäße Lösung ist auch bei bereits hergestellten Wasserfahrzeugen relativ leicht nachrüstbar.

Durch die Zufuhr von Druckluft entsteht innerhalb der Ummantelung ein Wasser- Luftgemisch. Dies ist anders als reines Wasser ein Medium, welches in der Lage ist, sein Volumen unter Druck zu verändern. So werden die zerstörerischen Implosionen, die bei der Kavitation auftreten, "abgefedert" beziehungsweise gemindert.

Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar für motorbetriebene Wasserfahr zeuge für Binnengewässer und bei kraftstoffsparenden Verdrängungsfahrzeu gen. Die Erfindung ist anwendbar sowohl bei sogenannten Außenbordern, bei denen der Antriebsmotor für den Propeller außerhalb des Schiffsrumpfs liegt, als auch bei sogenannten Inbordern, bei denen der Antriebsmotor innerhalb des Schiffsrumpfes liegt. Die Erfindung ist bei unterschiedlichen Ausbildungen des Propellerantriebs anwendbar, unter anderem auch bei einem sogenannten Z-Antrieb, bei dem der Motor und die Motorwelle einerseits und der Propeller und die Propellerwelle andererseits radial gegeneinander versetzt sind und zusam men mit einer Gelenkwelle zwischen diesen beiden Wellen ein Z bilden. Eine Anwendung ist auch möglich bei einem Inbordmotor mit einer sogenannten V-Welle, wo die Motorwelle und die Propellerwelle über ein Getriebe miteinander verbunden sind und ein V bilden.

Die Ummantelung oder Düse ist im allgemeinen durch eine koaxial zur Propel lerachse verlaufende, den Propeller umgebende zylinderförmige Hülse gebildet. Die Ummantelung ist vorzugsweise als doppelwandiges Werkstück mit einem Querschnitt in Form einer flachen, strömungsgünstigen Ellipse ausgebildet. Durch eine solche Formgebung des Querschnitts der Ummantelung können der Axialvorschub und die Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs erhöht werden. Dabei kann der durch die Doppelwandigkeit gebildete Hohlraum zum Einbau von Düsen zum Einleiten der Druckluft in den Zwischenraum zwischen Ummantelung und Propeller ausgenutzt werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Ummantelung oder Düse relativ zum Schiffsrumpf verstellbar gelagert. Beispielsweise kann die Ummantelung zum Heck oder Ruder hin um einige Grad nach unten schwenkbar am Schiffskörper gelagert sein, um die Neigung der Vortriebsströmung zu ändern.

Mit dieser Schwenkbarkeit der Ummantelung wird es möglich, den Rumpf des Bootes während der Fahrt zu trimmen, also den äußeren Bedingungen möglichst optimal anzupassen. Der Vortriebsstrom kann so optimal auf die Geschwindig keit hin eingesetzt werden. Dadurch können auch die Fahreigenschaften opti miert werden, ohne das Trimmklappen eingesetzt werden müssen, die sich sonst durch einen nachteiligen Bremseffekt auszeichnen.

Vorzugsweise wird die Druckluft vom Äußeren der Ummantelung über Eintritts öffnung in der Wandung der Ummantelung in den Zwischenraum zwischen der Innenwand der Ummantelung und dem Propeller eingeführt. Die Eintrittsöffnun gen werden vorzugsweise durch eine Vielzahl von einem Druckluftkompressor gespeisten Düsen gebildet. Die Düsen können gleichmäßig über den Umfang der Ummantelung verteilt oder auch axial und/oder radial zur Propellerwelle gegeneinander versetzt sein. Die Richtung der Düsen, also die Eintrittsrichtung der Druckluft in den genannten Zwischenraum kann radial, axial oder auch schräg zur Propellerwelle gerichtet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Druck/oder die Menge der je Zeiteinheit in den Zwischenraum eingeführten Druckluft in Abhän gigkeit von der Propellerdrehzahl und/oder der Fahrgeschwindigkeit veränderbar. Dadurch kann eine optimale Anpassung der Druckluftzufuhr an die jeweilige Fahrgeschwindigkeit erreicht werden. Insbesondere wird die Druckluftzufuhr entsprechend einer empirisch ermittelten Funktion mit zunehmender Fahrge schwindigkeit erhöht.

Der gemäß den bevorzugten Ausführungsformen vorgesehene Druckluftkompressor kann noch zusätzlich zu anderen Verwendungszwecken genutzt werden. Es kann nämlich auch die Funktion eines Bugstrahlruders und/oder eines Heckstrahlruders erreicht werden, die kaum aufwendiger ist als die bisher eingebauten Bug- und Heckstrahlruder. Dazu muss lediglich ein aktives steuerbares Mittel, beispielsweise in Form einer Austrittsdüse, vorgesehen werden, die ein Abgeben der Druckluft in Richtung Steuerbord oder Backbord erlaubt, also mit einer Komponente senkrecht zur Fahrzeuglängsachse.

Diese Lösung würde sich auch separat anbieten, in Kombination mit der Propellerummantelungs-Druckluftzufuhr treten aber synergistische Effekte durch gemeinsame Ressourcennutzung ein.

Es sind dann keine Querrohre im Rumpf mehr erforderlich und auch keine zusätzlichen, sonst häufig vorgesehenen Hochleistungselektromotoren, die latent zur Überhitzung neigen und nur einen begrenzten Einsatzzeitraum aufweisen.

Von Vorteil ist es insbesondere, wenn am Bug und Heck des Fahrzeuges jeweils Steuerbord und Backbord hydraulisch bewegliche Düsen eingebaut werden. Diese Düsen unter der Wasserlinie können in Relation zur Kiellinie des Fahrzeuges um fast 180 Grad von vorne nach hinten bewegt werden. Gleichzeitig sollte eine Beweglichkeit bis zu 70 Grad nach unten gegeben sein. Der Schiffsrumpf sollte an diesen Stellen entsprechende strömungsgünstige Ausbuchtungen für den Schutz und die Technik der Düsen erhalten.

Günstig wäre es außerdem, wenn diese Düsen hinsichtlich des Luftdrucks und der Richtung einzeln steuerbar sind. Damit erhält man ein Wasserfahrzeug, das sich nach allen Richtungen bewegen kann oder trotz gegenteiliger Strömungen (zum Beispiel in einer Schleusenkammer) über Grund auf der Stelle steht.

Die Steuerung eines solchen Systems kann gegebenenfalls manuell erfolgen, aber mit GPS und Echolotsystemen kann dies computerunterstützt umgesetzt werden. Denkbar ist dieses Prinzip mit zwei Motoren, wobei der eine Motor die konventionelle Wellen- und Ruderanlage betreibt und der andere Motor für das Druckluftsystem arbeitet. Damit ist eins doppelte Sicherheit gegeben und die Kombination beider Systeme führt zu Möglichkeiten, die in Sportbooten zunächst nur der Luxusklasse zugeordnet werden kann. Doch für Rettungsfahrzeuge, Forschungsfahrzeuge und Fahrzeuge zum schnellen und sicheren Transport von Menschen und Gütern auf dem Wasser gibt es sicherlich eine weite Fülle von Einsatzmöglichkeiten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeich nung zeigen:

Fig. 1 das Heck eines motorbetriebenen Wasserfahrzeugs mit der erfin dungsgemäßen Lösung;

Fig. 2 die Anordnung von Propeller und Ummantelung in einer vereinfachten Schnittdarstellung; und

Fig. 3 in einer vereinfachten Form von Fig. 1 eine Weiterbildung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Schiffskörper 1 mit einem Antriebsmotor 2 nach dem Prinzip des sogenannten Außenborders. Die Welle des Motors 2 bildet gleichzeitig die Propellerwelle 3, die an ihrem Ende den Antriebspropeller 4 trägt. Ein in der Regel zwischen dem Motor 2 und der Propellerwelle 3 vorgesehenes Getriebe ist zur Vereinfachung nicht dargestellt. Die Propellerwelle 3 ist in dem am Schiffs körper 1 befestigten Wellenbock 5 drehbar gelagert. Hinter den Propeller 4 ist die Ruderanlage 6 dargestellt. Der Schiffskörper 1 ist unten mit dem durchge henden Kiel 7 abgeschlossen. Der Propeller 4 ist von einer Ummantelung 8 umgeben, die allgemein die Form einer zylindrischen Hülse hat und im Schiffbau auch als Düse bezeichnet wird. Diese Ummantelung 8 dient zur Verringerung der vom Propeller 4 bewirkten, für den Vorschub verlorenen Radialströmung des Wassers und zum Erzeugen einer zusätzlichen, für den Vorschub nützlichen Wasserströmungskomponente in Axialrichtung.

In dem Schiffskörper 1 ist ferner ein Druckluftkompressor 9 angeordnet. An den Ausgang des Kompressors 9 ist eine Druckluftleitung 10 angeschlossen, die durch die Wandung der Ummantelung 8 in den Zwischenraum 11 zwischen Propeller 4 und Ummantelung 8 eingeführt ist. Dadurch wird Druckluft in den Zwischenraum 11 eingebracht.

Durch die starken Wasserturbulenzen in diesem Bereich wird die angestrebte Einbringung von Sauerstoff in das Fahrwasser nennenswert verbessert. Außerdem wird durch das Einbringen der Druckluft die ungewünschte Kavitation, die zu einem Abrieb und zu Beschädigungen von Bauteilen am Schiffskörper führen kann, verringert.

Der Eintritt der Druckluft in den Zwischenraum 11 erfolgt vorzugsweise über mehrere Eintrittsdüsen an der Ummantelung 8. Diese Eintrittsdüsen können über den Umfang der Ummantelung 8 verteilt und können sowohl axial als auch radial zur Propellerwelle 3 gegeneinander versetzt sein. Die Düsen können radial, axial, schräg oder in einer beliebigen Kombination dieser Möglichkeiten zur Propeller welle 3 ausgerichtet sein. Durch die elektrische Leitung 12 ist angedeutet, dass der Druck der in den Zwischenraum 11 eingeführten Druckluft oder die Menge der je Zeiteinheit eingeführten Druckluft in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors 2 und somit der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs gesteuert sein kann.

In der Praxis wird dies allerdings einfach durch einen zweiten Keilriemen realisiert werden.

Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten Form einen Radialschnitt durch Düse und Propeller. Dargestellt sind wieder der Propeller 4, die Ummantelung 8 und der zwischen beiden Teilen gebildete Zwischenraum 11.

Fig. 3 zeigt im Prinzip in vereinfachter Form den Aufbau von Fig. 1. Darge stellt sind wieder der Schiffskörper 1, die Propellerwelle 3, der Wellenbock 5, die Ruderanlage 6, der durchgehende Kiel 7 und die Ummantelung 8, während die übrigen Teile von Fig. 1 zur Vereinfachung weggelassen sind. Durch den Pfeil 13 ist die in Fig. 1 beschriebene Druckluftzufuhr angedeutet. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Ummantelung 8 um einige Grad um eine zur Propellerwelle 3 senkrecht stehende Achse derart schwenkbar, dass das zum hinteren Ende, also zur Ruderanlage 6 gerichtete Ende der Ummantelung 8 nach unten absenkbar ist. Diese Schwenkbewegung ist durch den Pfeil 14 angedeutet.

Bezugszeichenliste

1

Schiffskörper

2

Antriebsmotor

3

Propellerwelle

4

Antriebspropeller

5

Wellenbock

6

Ruderanlage

7

Kiel

8

Ummantelung

9

Druckluftkompressor

10

Druckluftleitung

11

Zwischenraum

12

elektrische Leitung

13

Pfeil

14

Pfeil

Claims

1. Motorbetriebenes Wasserfahrzeug mit einem Antriebspropeller (4) und einer den Propeller (4) umgebenden Ummantelung (8), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mit aktiven Mitteln (9) zum Zuführen von Druckluft in den zwischen Propeller (4) und Ummantelung (8) gebildeten Zwischenraum (11) versehen ist.

2. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel durch einen Druckluftkompressor (9) gebildet sind.

3. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung durch eine koaxial zur Propellerweile (3) liegende, den Propeller (4) umgebende längliche Hülse (8) gebildet ist.

4. Wasserfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) zylinderförmig ist.

5. Wasserfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) düsenförmig mit Verengungen ausgebildet ist.

6. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (8) als doppelwandiges Werkstück und insbesondere mit einem Querschnitt in Form einer flachen, strömungsgünstigen Ellipse ausgebildet ist.

7. Wasserfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Doppelwandigkeit gebildete Hohlraum zum Einbau von Düsen zum Einleiten der Druckluft in den Zwischenraum (11) zwischen Ummantelung (8) und Propeller (4) ausgenutzt ist.

8. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft über mehrere, an der Ummantelung (8) angeordnete Düsen in den Zwischenraum (11) zwischen der Innenwand der Ummantelung (8) und dem Propeller (4) eingeführt wird.

9. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen über den Umfang der Ummantelung (8) verteilt sind.

10. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen axial und/oder radial zur Propellerwelle (3) gegeneinan der versetzt sind.

11. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen radial zur Propellerwelle (3) gerichtet sind.

12. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen axial zur Propellerwelle (3) gerichtet sind.

13. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen schräg zur Propellerwelle (3) gerichtet sind.

14. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen in einer vor dem Propeller (4) liegenden, die Propellerwelle (3) umgebenden und an der Ummantelung (8) angeordneten Ringleitung angeordnet sind.

15. Wasserfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck und/oder die Menge der je Zeiteinheit in den Zwischenraum (11) eingeführten Druckluft in Abhängigkeit von der Propellerdrehzahl und/oder der Fahrgeschwindigkeit veränderbar ist.

16. Wasserfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (8) verstellbar am Schiffskörper (1) gelagert ist.

17. Wasserfahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (8) um einige Grad zum Schiffsende hin nach unten schwenkbar am Schiffskörper (1) gelagert ist.

18. Wasserfahrzeug, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mit aktiven Mitteln zum gesteuerten Abgeben von Druckluft im unter Wasser liegenden Bereich des Rumpfes mit einer Komponente senkrecht zur Wasserfahrzeuglängsachse versehen ist.