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BIZEICHNUNG: Verfahren zur Erzeugung eines Schubes bei nanövriertriebwerken
für Wasserfahrzeuge und ein hierfür ausgebildetes Manövriertriebwerk
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Schubes bei Manövriertriebwerken
für Wasserfahrzeuge, bei den Treibwasser und Saugwasser einen Misch- und einen sich
hieran anschliessenden Diffusorabschnitt eines Triebwerkes zugeführt werden, und
ein hierfür ausgebildetes Manövriertriebwerk.
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Zur Erzeugung eines Schubes nit Hilfe eines Strahltriebwerke 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 Strahlerzeugungs-Wirkungsgraden ist der erreichbare Schub bzw. die
Antriebsleitung eine Frage der Leistungsbelastung der Strahlerzeugungsfläche und
der Geschwindigkeit. Für Manövriertriebwerke kann die Geschwindigkeit als Kriterium
in erster Näherung entfallen, da die Anströngeschwindigkeiten 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 Leltungübertragungseinheiten u.dgl.. Bin Versuch,
diese Nachteile zu vermeiden, führte stets zu einer höher belasteten Triebwerk.
Dabei sind bei Propellertriebwerken Belastungen bis 500 PS/qs Strahlfläche nöglich,
so dass zu anderen Punpentypen
übergegangen werden nuss. Die bei
einstufigen Propellertriebwerken erreichbaren Strahlgeschwindigkeiten in Stand liegen
bei etwa lo n/sec. Mit Diagonalpumpen kann dieser Bereich bis auf 15 m/sec gesteigert
werden.
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Mit Radialpunpen können Strahlgeschwindigkeiten von über So n/sec
erreicht werden. Die erforderlichen Arbeitsdrücke liegen in der Strahlerzeugungsebene
von o,5 bis 20 bar.
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Je höher der Strahlerzeugungsdruck und danit die Strahlgeschwindigkeit
des Triebwerkes ist, desto geringer werden auch die Verstellkräfte bei einer Manövriertriebwerk
und desto geringer wird der Wasserdurchsatz. Der grösste Bachteil allerdings ist
die Tatsache, dass auch der Schub pro Wellen-PS rapide dabei abrimmt. Ein Triebwerk,
das nit etwa 5 bar Straherzeugungsdruck entsprechend einer Strahlgeschwindigkeit
von etwa 30 n arbeitet, erzeugt nur noch naxinal 3 Kp Schub je PS Antriebsleistung.
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Dies ist der entscheidende Grund, weshalb Radialpunpen und auch Diagonalpunpen
in die Propulsionstechnik nur in sehr geringen Maße Eingang gefunden haben.
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Die Bemühungen gingen daher dahin, den entscheidenden Nachteil der
hochbelasteten Strahltriebe, d.h. die geringen Schubausbeuten durch geeignete Auqestaltung
der Strahlausttittsvorrichtungen zu beheben oder zu mildern Als Hilfsmittel
bot
sich hier vor allen die Ausnutzung des Ejektoreffektes an, bei den ein hochbelasteter
Triebstrahl durch eine geeignete Mischdüse zusätzlich Wasser ansaugt und zur Schuberzeugung
heranzieht Derartige Ejektorwirkungen sind in der Windkanaltechnik für Hochgeschwindigkeits-Windkanäle
untersucht und angewandt worden. Im Bereich der Wasserstrahltriebwerke sind erst
in jüngster Zeit eingehende Untersuchungen von WITTE und LORENZ durchgeführt worden.
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Die von WITTE durchgeführten Kanaluntersuchungen nit Ejektortriebwerken
beschränkten sich auf Ejektoren oit zentraler Treibstrahleinblasung,während die
Arbeiten von LORFNZ von der Anwendung des Ejektorprinzips für Querstrahlruder ausgingen
und den Mehrloch-Randstrahlejektor sowie den Ejektor nit schlitzförnigen Treibstrahlaustritt
über den vollen Querrohrunfang unfassten. Dabei wurde von Ejektortriebwerken von
sehr großer Länge in Verhältnis zun Saugrohrdurchnesser ausgegangen, die eine Anwendung
als drehbare Manövriertriebwerke nicht zulässt.
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Die bekannten Ejektortriebwerke bestehen aus einen Saugrohr mit abgerundetem
Einlauf, mit einer Mischstrecke und einen anschliessenden Diffusor. In das Saugrohr
nündet 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 Benühungen, die Länge des Triebwerkes zu verkürzen, konnten nur
dann erfolgreich sein, wenn es gelang, die Mischstrecke zu verkürzen oder ganz zu
eleninieren sowie den Öffnungswinkel des Diffusors ohne Wirkungsgradverlust so gross
zu nachen, dass ein genügend grosses Verhältnis der Diffusorendfläche zur Fläche
des Saugrohres nit einen möglichst kurzen Diffusor verwirklicht werden konnte. Die
Benühungen, den Wirkungsgrad des Triebswerkes dabei möglichst günstig zu gestalten,
setzt jedoch voraus, dass es gelang, die von den sehr schnellen Treibstrahl berührten
Wandflächen so klein wie nöglich zu halten oder diese nach Möglichkeit ganz zu eleninieren.
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Ein Mittelstrahlejektor führt notwendigerweise zu einen Ströuungaprofil
in Saugrohr, das nur ganz geringe Diffusor-Öffnungswinkel erlaubt. Bei nehr als
30 Öffnungswinkel bricht der Diffusor-Wirkungsgrad sehr schnell zusammen Die Berührung
zwischen schnellen Treibstrahl und einer Wandfläche beschränkt sich auf das Mundstück
der Düse. Die Ejektorwandung wird nur mit der Mischgeschwindigkeit beaufschlagt.
Da bei den bekannten langen Injektoren die Wandflächen sehr gross sind, ist hier
die Folge, dass der Wirkungsgrad des Triebwerkes demnach wesentlich durch Wandreibung
herabgesetzt wird.
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Der Randatrahlejektor nach LORENZ sowie seine Abwandlung als Mehrlochejektor
führen zu einen Strönungsprofil in 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.
gine über die für die Funktion notwendige Lange hinausgehende Längenabmessung, wie
es bei einen Querrohr im Schiff durch die Breite des Schiffes notwendig ein kann,
führt in jeden Fall zu einen erheblichen zusätzlichen Schubverlust.
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Aufgabe der vorliegenden Brfindung ist es, ein Triebwerk mit einem
hohen Schub und mit einen günstigen Wirkungsgrad für Schiffe und ein Verfahren zur
Erzielung dieses hohen Schubes zu schaffen, bei den die von den sehr schnellen Treibwasserstrahl
berührten Wandflächen des Triebwerkes sehr klein gehalten bzw. ganz eleminiert sind
und mit dem ein optimales Strömungsprofil bei einer kurzen Mischlänge und bei grossen
Diffusorwinkel erhalten wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Schubes
bei Manövriertriebwerken für Wasserfahrzeuge gemäss der eingangs beschriebenen Art
vorgeschlagen, bei den gemäss der Erfindung der ringförmig um einen ersten Saugwasserstrahl
geführte
und dem Diffusor zugeführte Treibwasserstrahl einem der Diffusorinnenwandfläche
zugeführten zweiten Saugwasserstrahl zugeleitet wird.
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Der Diffusor-Eintrittsbereich wird dabei in den Austrittsbereich des
den Saugbereich vor den Diffusor für einen ersten Saugwasserstrahl umgebenden Ringkanal
für den Treibwasserstrahl unter Ausbildung eines ringförmigen Austrittsbereiches
für einen zweiten, die Diffusor-Innenwandfläche beaufschlagenden Saugwasserstrahl
verlegt.
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Dabei wird das Saugwasser in zwei Strömungsabschnitte aufgeteilt,
von denen ein erster Saugwasserstrahl einem Saugabschnitt zugeführt und in Austrittsbereich
dieses SaugabJchnittes sowie in dem unmittelbar sich hieran anschliessenden Übergangsbereich
zum Diffusorabschnitt mit einem gegenüber dem Saugabschnittaustrittsbereich geringfügig
grösseren Diffusorabschnitteintrittsbereich dem diese Bereich in Richtung zur seitlichen
Begrenzungsfläche des Diffusorabschnittes zugeführten und den ersten Saugwasserstrahl
ringförmig uugebenden Treibwasserstrahl zugeführt wird, der unter Ausschluß einer
Berührung der Diffusorabschnittseitenbegrenzungsfläche den dieser ringförmig in
den zwischen dem Saugabschnittaustrittabereich und den Diffusorabschnitteintrittsbereich
ausgebildeten Ringspalt zugeführten zweiten Saugwasserstrahl zugeleitet wird.
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Des weiteren betrifft die Erfindung ein Manövriertriebwerk für Wasserfahrzeuge
zur Durchführung des Verfahrens zur Schuberhöhung eines Triebwerkes, das erfindungsgemäss
aus einem vorderen Triebwerksteil, der als Saugabschnitt ausgebildet ist und der
einen Treibwasser führenden Ringkanal aufweist, dessen von den Ringkanal unschlossener
Innenraum vorderseitig mit einer Eintrittsöffnung und mit einer Austrittsöffnung
an den der Eintrittsöffnung gegenüberliegenden Ende für einen ersten Saugwasserstrahl
versehen ist und der benachbart zur Austrittsöffnung einen diese ring -förmig unschliessenden
Austrittsschlitz für das Treibwasser aufweist, und aus einer rückwärtigen Triebwerksteil
besteht, der als Diffusordüse nit einer Austrittsöffnung und mit einer gegenüber
dieser einen kleineren Durchmesser aufweisenden Eintrittsöffnung ausgebildet iJt,
die in Bereich der Austrittsöffnung des vorderen Triebwerksteils angeordnet ist
und gegenüber dem Durchmesser der Austrittsöffnung des vorderen Triebwerksteils
einen grösseren Durchmesser unter Ausbildung eines ringföraigen oberhalb bzw. in
Bereich des Austrittsschlitzes des Ringkanals liegenden Bintrittsschlitzes für einen
zweiten Saugwasserstrahl aufweist.
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Mit dem Erfindungsgegenstand ist ein Ejektortriebwerk geschaffen,das
bei guter Schubausbeute eine kleine Baulänge aufweist, bei dem der Wirkungsgrad
günstig gestaltet
ist, wobei die Wandflächen des Diffusors von
dem sehr schnellen Treibwasserstrahl nicht berührt werden.
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Bei diesem Triebwerk erfolgt keine Beaufschlagung der Ejektorwandung
mit der vollen Triebstrahlgeschwindigkeit, 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 Triebswerkes ermöglicht dessen Einsatz als drehbares
Manövriertriebwerk, und zwar insbesondere wegen der kurzen Länge des Triebwerkes.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt,
und zwar zeigt Fig. 1 ein Manövriertriebwerk in einem senkrechten Längsschnitt und
Fig. 2a,die Gegenüberstellung der Strömungsprofile 2b, 2c eines Mittelstrahlejektors
und eines Ringstrahlejektors und eines Manövriertriebwerkes gemäss Fig. 1.
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Das in Fig. 1 dargestellte Manövriertriebwerk ist mit lo bezeichnet
und besteht aus einem vorderen Triebwerksteil 11 und einem rückwärtigen Triebwerksteil
12.
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Der vordere Triebwerksteil 11 wird von einem ringförmigen Kanal 20
gebildet, der den Triebwerksinnenraum 26 umschliesst, ^, 1 rn
so
dass eine Eintrittsöffnung 21 mit abgerundeten Einlauf und eine Austrittsöffnung
22 gebildet ist. Der Ringkanal 20 ist nit einen Zuführungsstutzen 23 für Treibwasser
T versehen und weist an seinen, dem abgerundeten Binlauf entgegengesetzten Ende
einen ringförnigen Schlitz 25 für den Austritt des Treibwassers T auf. Der vom Ringkanal
20 unschlossene Innenraum 26 stellt den Saugabschnitt dar, durch den ein erster
Saugwasserstrahl 51 hindurchgeleitet wird. Die Gesaitausbildung dieses Saugabschnittes
ist dergestalt, dass die Eintrittsöffnung 21 gegenüber den Durchmesser der Austrittsöffnung
22 einen etwas kleineren Durchmesser aufweist.
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An den vorderen Triebwerksteil 11 schliesst sich der rückwärtige Triebwerksteil
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 Triebwerksteils
11 einen grdsseren Durchmesser auf, so dass die Eintrittsöffnung 21 in der von der
Austrittsöffnung 22 des vorderen Triebwerksteils 11 gebildeten Ebene zu liegen kommt,
und zwar unter Ausbildung eines ringförmigen Spaltes 35 oberhalb des ringförmigen
Schlitzes 25 für den Eintritt des Treibwassers T.
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Der ringförmige Eintrittsschlitz 35 dient für die Zuführung eines
zweiten Saugwasserstrahles 52 in den Innenraum 36 der Diffusordüse 30 Die Gesamtanordnung
des vorderen Triebwerksteils 11 und des rückwärtigen Triebwerksteiles 12 ist dergestalt,
dass der in den ringförmigen Eintrittsschlitz 35 eintretende Saugwasserstrahl S2
an der Innenwandungsfläche 30a der Diffusordüse 30 in Pfeilrichtung X geführt wird.
Der Innenraum 36 der Diffusordüse 30 verbreitert sich konisch zur Austrittsöffnung
32, so dass der Durchmesser der Austrittsöffnung 32 gegenüber dem Durchmesser der
Bintrittsöffnung 31 der Diffusordüse 30 grösser bemessen ist.
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Der ringförmige Austrittsschlitz 25 in vorderen TriebwerkJ-teil 11
ist in Bezug auf seine Führungsflächen so ausgestartet, dass der aus dem ringförmigen
Austrittsschlitz 25 in Pfeilrichtung X1 austretende Treibwasserstrahl T bei gleichzeitigem
Durchströmen des Saugwasserstrahles 51 in Pfeilrichtung X2 durch das Triebwerk nicht
die Innenwandfläche 30a der Diffusordüse beaufschlagt, sondern auf den an der Innenwandfläche
30a der Diffusordüse 30 entlang geführten Saugwasserstrahl 52 auftrifft und diesen
mitnimmt, so dass Reibungsverluste durch Führung des Treibwasserstrahles T an der
Innenwandfläche 30a der Diffusordüse 30 vermieden werden.
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Aufgrund dieser Führung des Saugwassers und des Treibwassers und insbesondere
aufgrund der Aufteilung des Saugwassers in zwei Strahlabschnitte S1 und S2 ergibt
sich ein sehr günstiges Ströaungsprofil (Fig.Zc) gegenüber den Strösung8-profilen
bei einem Mittelstrahlejektor (Fig.2a> und den Strömungsprofil eines Ringstrahlejektors
bekannter Bauart (Fig.2b). Ausserdem ergibt sich durch die Integration der Diffusordüse
30 in den Saug- bzw. Mischabschnitt des vorderen Triebwerksteils 11 eine sehr kurze
Baulänge des Gesamttriebwerkes, so dass dieses auch bei kleinen Schiffen als Manövriertriebwerk
und insbesondere als drehbares Manövriertriebwerk verwendet werden kann. Dieses
günstige Ströiungsprofil bei den vorliegenden Triebwerk ergibt sich aufgrund der
Vermeidung der sonst auftretenden Reibung zwischen der Innenwandfläche des Diffusors
und dem Treibstrahl.