DE4033674A1 - Verfahren zum betrieb eines wasserstrahlantriebs fuer wasserfahrzeuge und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines wasserstrahlantriebs fuer wasserfahrzeuge und anordnung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines
Wasserstrahlantriebs für Wasserfahrzeuge gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 9.
Alle bekannten Wasser als Vortriebsmittel verwendenden
Vortriebseinrichtungen für Wasserfahrzeuge, also sowohl
Schiffspropeller unterschiedlicher Geometrie als auch
sogenannte Wasserstrahlantriebe können bekanntlich nicht
größeren Geschwindigkeitsbereichen so angepaßt werden, ohne
daß sich dabei nachteilige Auswirkungen auf den Wirkungsgrad
ergeben. Auch Verstellpropeller haben nur einen beschränkten
Arbeitsbereich, wobei nur bei einer Propellerflügelstellung
und einem Propellerdrehzahl/Fortschrittsgrad-Verhältnis der
beste Wirkungsgrad über die gesamte Propellerflügeler
streckung erreicht werden kann.
Gegenüber einem Schiffspropeller, der eine sich mit der
Geschwindigkeit des Wasserfahrzeuges ändernde, sonst aber
nicht beeinflußbare Zuströmgeschwindigkeit verarbeiten muß,
hat ein Wasserstrahlantrieb den Vorteil, daß für die das
Wasser beschleunigende Pumpe eine in allen Fahrbereichen und
allen Pumpendrehzahlen optimale Anströmung der Pumpen-
Schaufelprofile und damit Betriebspunkte bester Wirkungsgrade
erzielt werden kann, wenn die durchsatzbestimmende Düse des
Wasserstrahlantriebes so ausgebildet wird, daß sich deren
wirksamer Austritts-Querschnitt während des Betriebes
verändern läßt.
Hierzu ist es bekannt, den Austrittsquerschnitt einer
zylindrischen Düse mittels eines einstellbaren, sich der
Kontur anpassenden flexiblen Bauteiles, zu verändern.
Hierbei wird von einer bezüglich des Düsenwirkungsgrades
optimalen Düsenaustrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahles,
einer sich mit der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs
ändernden Anströmgeschwindigkeit der Pumpe und von einem sich
damit in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit verändernden
Durchsatz ausgegangen; vgl. GB-PS 10 63 945.
Eine andere Lösung sieht vor, die Steuerklappen eines
Wasserstrahlantriebes um je eine senkrechte Achse gegensinnig
schwenkbar zu lagern, die der Strahlaustrittsöffnung einer
Radialpumpe nachgeschaltet sind, wobei durch die Steuerklap
pen der Düsenquerschnitt gemäß der Gleichung
verändert werden soll, wobei
A = Düsenquerschnitt (in square inches) und
H = Leistung der Antriebsmaschine (in horse power) ist; vgl. US-PS 30 55 175.
A = Düsenquerschnitt (in square inches) und
H = Leistung der Antriebsmaschine (in horse power) ist; vgl. US-PS 30 55 175.
Dieser mathematische Ansatz führt jedoch zu unbrauchbaren
Regelbedingungen, da - wie sich zeigen läßt - über die
Antriebsleistung nicht ein bestimmter Punkt im Pumpenkennfeld
beschrieben ist, sondern eine Kurve unterschiedlicher
Durchsatzmengen und damit auch unterschiedlicher Düsenquer
schnitte.
Eine zweite Forderung bei wasserstrahlbetriebenen Wasserfahr
zeugen bezieht sich auf die Möglichkeit zu Trimmen, was
grundsätzlich durch eine vertikale Umlenkung des Treibstrah
les erzielbar ist. Für die optimale Fahrweise eines
Wasserfahrzeuges bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und
damit in Längsrichtung unterschiedlichen Auftriebsschwerpunk
ten des Wasserfahrzeuges ist - wie die Erfahrung gezeigt
hat - die als Trimmung bekannte Veränderung der Vertikal
komponente des erzeugten Schubes vorteilhafter als eine
Trimmung durch einen zusätzlichen Widerstand erzeugende
Trimmklappen.
Bei sogenannten Außenbordern und Z-Drives wird dies durch
Veränderung des Winkels der Propellerachse zum Wasserfahrzeug
erzielt. Diese Anstellwinkeländerung ergibt jedoch eine
unterschiedliche Schräganströmung der Propellerflügel und
somit die daraus folgenden bekannten Nachteile.
Bei Wasserstrahlantrieben ist es hierzu bekannt, dem
Austrittsende des Wasserstrahlantriebs als Zylindermantelab
schnitte ausgebildete von sektorenförmigen Wangen gehaltene
Steuerklappen zuzuordnen, die in einem Gehäuse, das mittels
Traversen durchsetzende Lagerschrauben am Pumpengehäuse um
eine senkrechte Achse schwenkbar gelagert ist, um je eine
waagerecht liegende Achse gegensinnig schwenkbar zu lagern;
vgl. DE-OS 26 44 743.
Auch ist es bekannt, der Steuereinrichtung eines solchen
Wasserstrahlantriebs eine Düse mit Steuerklappen mit im
wesentlichen rechteckigem Querschnitt zuzuordnen, die im
Bereich der Strahlaustrittsöffnung der Düse zwei gleichsinnig
kreisbogenförmige Steuerklappen unterschiedlicher Radien
besitzt; vgl. DE-OS 37 00 530.8.
Alle diese Steuerungen haben die Eigenart, daß entweder eine
nur nach einer vertikalen Richtung mögliche Strahlablenkung
mit einer damit gekoppelten gleichzeitigen und nicht
gesondert beeinflußbaren Verminderung der Düsenaustritts
fläche oder aber eine vertikalte Strahlablenkung nach oben
und unten ohne Veränderung des Düsenquerschnittes möglich
ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens für eine
manuelle oder automatische Regelung des Düsenaustrittsquer
schnittes unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit und der als
deren Folge am Düsenaustrittsquerschnitt anstehenden
unterschiedlichen Drücke anzugeben, das einen Betrieb der das
Wasser beschleunigenden Pumpe im Bereich der optimalen
Wirkungsgrade im gesamten Betriebsbereich gewährleistet und
durch eine gesteuerte vertikale Ablenkung des Treibstrahles
auch eine Trimmung des Wasserfahrzeuges gestattet, wobei
ferner eine weitgehende Schubumkehr für die Rückwärtsfahrt
und für den Bremsvorgang ermöglicht wird, und daß die
Anordnung auch im Schleppbetrieb, also bei ausgefallener
Antriebseinrichtung - Antriebsmotor und/oder Pumpe - noch
einen brauchbaren Steuerdruck erzeugen soll.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für das Verfahren durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und für
die Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruches 9 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein optimaler
Betrieb hinsichtlich Schub und Wirkungsgrad des Wasserstrahl
antriebes in allen Betriebsbereichen bezüglich Drehzahlen und
Fahrgeschwindigkeiten erreicht, da über den veränderbaren
wirksamen Düsenquerschnitt "Fw" unabhängig von der
Fahrgeschwindigkeit "w" in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl
"n" der zugehörige Wasserdurchsatz "Q" eingeregelt wird.
Hierzu werden vorteilhafterweise als Regelsignal eine, dem
Durchsatz "Q" proportionale Geschwindigkeit "vx" oder der
zugehörige dynamische Druck "pdynx" an einem geeigneten Ort
"x" innerhalb des Strömungskanals als Regelkriterium für den
einzuregelnden Düsenaustrittsquerschnitt "F" herangezogen,
benutzt und
konstant gehalten, wobei "vx*" die Strömungsgeschwindigkeit
und "pdynx*" der zugehörige dynamische Druck "pdyn" an der
Meßstelle "x" im Betriebspunkt optimalen Wirkungsgrades bei
dem Durchsatz "Q*" und der Auslegungsdrehzahl "n*", und die
Geschwindigkeit "vx" beziehungsweise deren dynamischer Druck
"pdynx" den Meßwert bei der augenblicklichen Pumpendrehzahl
"n" und dem einzuregelnden Durchsatz "Q" bedeuten.
Die Werte "pdynx" und "n" bzw. vx können als Regelsignal
entweder einem Rechner und zugehöriger automatischer
Regeleinrichtung zugeführt oder in geeigneter Form für eine
manuelle Einregelung des Optimums angezeigt werden.
Ebenso erlaubt die Erfindung die Vertikalkomponente des
wirksamen Wasserstrahls und damit die Trimmung automatisch
durchzuführen, wobei für die hierzu notwendige Betätigung der
Klappen die Abweichung vom Sollwert der Neigung des
Wasserfahrzeugs um die Querachse bei einem Wasserstrahlan
trieb und/oder auch um die Längsachse bei Einsatz von zwei
oder mehreren Wasserstrahlantrieben an dem Wasserfahrzeug
durch geeignete Sensoren erfaßt und der Regelung in
geeigneter Signalform zugeführt werden.
Eine solche Anordnung besitzt entscheidende Vorteile
gegenüber der üblichen passiven Steuerung durch Trimmklappen
oder durch verstellbare Flügel bei Tragflügelbooten oder
ähnlichen Wasserfahrzeugen mit vollgetauchten Tragflügeln
oder Auftriebskörpern, die einen zusätzlichen Fahrtwiderstand
erzeugen, deren Wirksamkeit stark von der Fahrgeschwindigkeit
abhängt und die eine gewünschte Trimmung zum Ausgleich eines
durch starken Seegang erzeugten Stampfens oder Gierens wegen
der in solchen Fällen nur zulässigen niedrigen Fahrgeschwin
digkeit ungenügend oder gar nicht erzielen können.
Die erfindungsgemäße Düse weist einen fertigungstechnisch
leicht zu beherrschenden zumindest teilweise rechteckigen
Querschnitt auf und erlaubt zur Durchführung des Verfahrens
neben einer wirkungsvollen Veränderung des Düsenquerschnittes
durch Veränderung der Stellung der beiden Steuerklappen
zueinander auch eine durch die gleichzeitige gleichsinnige
Verstellung der beiden Klappen mögliche Veränderung der
Vertikalkomponente des wirksamen Schubes. Ferner ist durch
das mögliche Absenken der vorderen Lagerung der unteren
Klappe eine nahezu vollständige Schubumkehr möglich.
Weiter ist durch das erfindungsgemäß mögliche Absenken des
vorderen Endes der unteren Klappe eine Bypaßöffnung innerhalb
der Düse geschaffen, so daß infolge der auf diese Weise
entstehenden Injektorwirkung eine Vergrößerung der
beschleunigten Wassermasse mit geringerer Austrittsgeschwin
digkeit aus der Düse entsteht, die besonders bei geringer
Wassertiefe in Häfen oder auf Flüssen die Aufwühlung des
Grundes vermindert und vorteilhafterweise im Bereich
niedriger Geschwindigkeiten zu einer Verbesserung des
Strahlwirkungsgrades und des Schubes genutzt wird.
Der auf diese Weise erzeugte wasserführende Bypaß kann zudem
auch im Schleppbetrieb als Passivruder benutzt werden und
hierbei brauchbare Steuerkräfte erzeugen.
Da das die Düse tragende Bauteil als Gehäuse ausgebildet und
um eine senkrechte Achse verschwenkbar gelagert ist, wobei
diese Achse gegen die Senkrechte geneigt sein kann, ist eine
Kurvenfahrt leicht und sicher durchführbar. Mit dem Gehäuse
sind alle Teile der Steuerung, welche die Querschnittsände
rung der Düse, die vertikale Schubumlenkung und die
Schubumkehr für Rückwärtsfahrt erzeugen, mittelbar oder
unmittelbar verbunden, was zu einer einfachen und betriebs
sicheren sowie leistungsfähigen Ausbildung des Wasserstrahl
antriebes führt.
Da dem Gehäuse mindestens zwei Klappen zugeordnet sind, wobei
eine als Zylinderschalensegment und die zweite als zweifach
gelagerte untere Klappe ausgebildet ist, und ein unveränder
barer Abstand des vorderen Lagers der unteren Klappe zu dem
unteren Ende der oberen Klappe durch Laschen oder ähnliche
Bauteile sichergestellt wird, kann die obere Klappe am
unteren Ende eine entgegengesetzt gewölbte Fläche besitzen,
die als obere Begrenzung des Düsenquerschnittes dient. Dies
ist sehr vorteilhaft, da durch gleichzeitiges Schließen des
Strömungsquerschnittes an der Vorderkante der unteren
Steuerklappe im Bereich der Lager und an der Hinterkante
zwischen den zugewandten Flächen von unterer und oberer
Klappe der Wasserkanal des gesamten Wasserstrahlantriebes von
der Austrittseite her verschließbar ist, so daß eine
Durchströmung und/oder Beschädigung der inneren Pumpenteile
bei Stillstand des Antriebes während der Liegezeiten im Hafen
mit Sicherheit vermieden wird.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in der
Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Pumpenkennfeld mit Linien konstanter
Drehzahl, Drossellinien konstanten Düsenquer
schnittes und die infolge des im Einlauf
zurückgewonnenen Teiles der Geschwindigkeitshöhe
sich ergebenden Düsen- und Pumpen-Betriebs
punkte,
Fig. 2 eine Parallelprojektion einer Steuereinheit für
die Düse eines Wasserstrahl-Reaktionsantriebs
gemäß der Erfindung,
Fig. 3 einen Schnitt durch die schematische Düse nach
Fig. 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in
"geschlossener Stellung für Stillstandzeiten",
Fig. 4 einen Schnitt durch die schematische Düse nach
Fig. 2 mit den zugeordneten Steuerklappen in
der Stellung "Langsamfahrt mit horizontaler
Umlenkung nach unten zur Verringerung der
Aufkimmung",
Fig. 5 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte
Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten
Steuerklappen in der Stellung "Langsamfahrt mit
durch Injektorwirkung vergrößerter Wassermenge
geringerer Geschwindigkeit" zugleich auch
Stellung der Steuerklappen als "Passivruder",
Fig. 6 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte
Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten
Steuerklappen in der Stellung "Schnellfahrt mit
verringerter Düsenfläche und horizontaler
Umlenkung nach oben = positives Aufkimm-Moment",
Fig. 7 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte
Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten
Steuerklappen in der Stellung "Schnellfahrt mit
verringerter Düsenfläche und horizontaler
Umlenkung nach unten (negatives "Aufkimm-
Moment")",
Fig. 8 einen Schnitt durch die schematisch dargestellte
Düse nach Fig. 2 mit den zugeordneten Steuer
klappen in der Stellung "Rückwärtsfahrt und
Bremsen",
Fig. 9 eine in Parallelprojektion schematisch darge
stellte weitere Steuerdüse mit zwei an beiden
Enden verstellbaren Klappen in einem um die
senkrechte Achse schwenkbaren Düsenkörper in der
Stellung für "Langsamfahrt mit negativem
Trimmoment",
Fig. 10 eine Düse gemäß Fig. 9 in der Stellung "Bremsen
und Rückwärtsfahrt",
Fig. 11 eine Düse gemäß Fig. 9 in der Stellung "Lang
samfahrt mit durch Injektorwirkung vergrößerter
Wassermenge geringerer Geschwindigkeit",
Fig. 12 eine in Parallelprojektion schematisch darge
stellte weitere Steuerdüse mit zwei an beiden
Enden verstellbaren Klappen in einem um die
horizontale Achse schwenkbaren Düsenkörper in
der Stellung "Fahrt bei geringer Geschwindigkeit
in einer Rechtskurve",
Fig. 13 eine Düse gemäß Fig. 12 in der Stellung
"Schnellfahrt mit positivem Trimm entsprechend
einem positiven Aufkimmoment",
Fig. 14 eine Düse gemäß Fig. 12 in der Stellung "Rück
wärtsfahrt oder Bremsen" und
Fig. 15 ein Regelschema für Wasserstrahlantriebe gemäß
der Erfindung.
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern seien vorab
die theoretischen Zusammenhänge erläutert.
Wie bekannt, verändert sich mit steigender Geschwindigkeit w
des Fahrzeuges die durch die Düse des Wasserstrahlantriebes
von der Fläche F durchströmende Wassermenge Qw nach:
wobei Hp die Pumpenförderhöhe, hw die Geschwindigkeitshöhe
des Fahrzeuges:
hw = w²/2 g (2)
und den ξ-Anteil der Geschwindigkeitshöhe bezeichnet, der im
Einlauf der Pumpe durch vorteilhafte Ausbildung des Saug
mundes und des Diffusors zurückgewonnen werden kann.
In der Fig. 1 ist in der üblichen Darstellung eines Pumpen
kennfeldes mit der Pumpenförderhöhe H auf der Ordinate 1 und
dem Pumpendurchsatz Q auf der Abszisse 2 die Pumpenkennlinie
3 konstanter Drehzahl ohne Geschwindigkeitsrückgewinn (iden
tisch mit der Pumpenkennlinie bei der Fahrgeschwindigkeit
w = 0) und die Pumpenkennlinie 4 mit Geschwindigkeits
rückgewinn 9, die Drossellinie 5 für den optimalen Standschub
6 und die Drossellinie 7 für den optimalen Schub 8 bei der
Auslegungsgeschwindigkeit w.
Bei Stillstand, also einer Fahrgeschwindigkeit w = 0 ent
spricht der Pumpenbetriebspunkt 10 zugleich dem Düsenbe
triebspunkt. Bleibt der Düsenquerschnitt unverändert,
so wandert mit steigender Fahrgeschwindigkeit w geschwindig
keitsbedingt wegen des an der Düse um den Wert 9 = ξ·w²/2 g
anstehenden höheren Druckes der Betriebspunkt zu dem neuen
Düsenbetriebspunkt 11 und folglich zu dem Pumpenbetriebspunkt
12 entsprechend der Charakteristik der Drehzahlkennlinie 3 in
ein Gebiet geringerer Pumpenförderhöhen und schlechterer
Wirkungsgrade der Pumpe, so daß nun nur der geringere Schub
13 erreicht werden kann.
Aus der Formel (1) und der Fig. 1 ist klar ersichtlich, daß
mit steigender Fahrgeschwindigkeit "w" und größerem
Geschwindigkeitsrückgewinn der die Drossellinie bestimmende
Düsenquerschnitt "F" auf die Größe "Fw" verkleinert werden
muß, um die Förderhöhen/Durchsatzcharakteristik der
Drossellinie 5 zur Drossellinie 7 und den Düsenbetriebspunkt
11 zum Düsenbetriebspunkt 14 zu verlagern, damit der
Durchsatz 15 des Wirkungsgradbestpunktes 10 der Drehzahlkenn
linie 3 der Pumpe und der höchstmögliche Schub 8 erzielt
wird.
Wird dagegen der Düsenquerschnitt "F" für den Höchstschub 8
bei der angestrebten Höchstgeschwindigkeit "w" mit "Fw"
ausgeführt kann nur ein gegenüber dem leistungsbedingten
größtmöglichen Standschub 6 geringerer Standschub 17
entsprechend der Drossellinie 7 erreicht werden.
Diese Kriterien gelten natürlich für den gesamten Drehzahlbe
reich der Pumpe, da für alle Punkte der Parabel 5 durch den
Optimalpunkt 10 die gleichen optimalen Strömungsverhältnisse
innerhalb der Pumpenbeschaufelung herrschen.
Wird also ein optimaler Betrieb - Schub und Wirkungs
grad - eines Wasserstrahlantriebes in allen Betriebsbereichen
- Drehzahlen und Fahrgeschwindigkeiten - angestrebt, muß über
den wirksamen Düsenquerschnitt "Fw" unabhängig von der
Fahrgeschwindigkeit "w" stets in Abhängigkeit der Pumpendreh
zahl "n" der zugehörige Wasserdurchsatz "Q" eingeregelt
werden. Da
ist, kann der dem Durchsatz Q proportionale dynamische Druck
pdynx an einer beliebigen Stelle konstanten Querschnittes und
konstanter Strömungsrichtung innerhalb der Pumpe bzw. des
Strömungskanals gewählt werden.
Wird im gewählten optimalen Kennfeldpunkt 10 ein Durchsatz Q*
bei der Drehzahl n* erreicht, ist folglich im Meßquerschnitt
Fx eine Strömungsgeschwindigkeit vx* und damit der dynamische
Druck pdynx* vorhanden. Somit kann für das Regelkriterium
Q*/n* auch vx*/n* oder angesetzt werden.
Damit kann geschrieben werden:
oder für den einzuregelnden dynamischen Druck
Hierbei bedeutet "pdynx*" den dynamischen Druck im
Meßquerschnitt "Fx" im Betriebspunkt (10) optimalen
Wirkungsgrades bei der Auslegungsdrehzahl "n*" (3) und dem
Durchsatz "Q*", der Druck "pdynx" den Meßwert bei der
augenblicklichen Pumpendrehzahl "n".
Nunmehr sei ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 2 beschrieben,
wobei lediglich die zur Erfindung gehörenden Teile
dargestellt sind. Von dem in Vorausrichtung an einem
Wasserfahrzeug angeordneten Strömungskanal mit einem eine
Ansaugöffnung aufweisenden Einlauf an seinem vorderen Ende,
eine dem Einlauf nachgeordnete Pumpe in seinem mittleren
Bereich zum Ansaugen und Beschleunigen von Wasser sowie einer
Düse an der Strahlaustrittsöffnung an seinem hinteren Ende
ist daher lediglich das hintere Ende des Pumpenkörpers 18
gezeigt. Der Pumpenkörper weist einen etwa kreisringförmigen
Querschnitt auf und geht stromab in eine durch einen
Düsenkörper 19, eine obere Klappe 20 und eine untere Klappe
21 gebildete Düse D über.
Der Düsenkörper 19 ist in der nur teilweise dargestellten
Schwenkachse 22 am Pumpenkörper schwenkbar gelagert und durch
die nicht näher dargestellte Schwenkeinrichtung 37 im Winkel
zur Pumpenachse vertikal verstellbar.
Die Stirnseite 23 des Düsenkörpers 19 ist kreisbogenförmig
ausgebildet. Die Unterseite des Düsenkörpers ist offen und
durch die untere Klappe 21 verschlossen. Die mittels
Lageraugen 27 und 32 beweglich gelagerte Klappe 21 bildet so
die untere Begrenzung des Strömungskanals und der Düse. Die
untere Klappe 21 weist ferner seitliche Wangen 24 auf, die
zur Führung der Klappe 21 im Düsenkörper 19 und zur
seitlichen Begrenzung des Wasserstrahles bei Rückwärtsfahrt
dienen.
Die obere Klappe 20 ist um eine Schwenkachse 25 in Lageraugen
25′ des Düsenkörpers 19 drehbar gelagert und durch eine an
einer Lagerung 31 angreifenden und andererseits am
Düsenkörper 19 schwenkbar in einem Lagerauge 38 gelagerten
Verstelleinrichtung 26 verstellbar. Ferner sind zwei
Verstelleinrichtungen 33 zwischen den Lageraugen 32 der
unteren Klappe und dem Lagerauge 31 der oberen Klappe 20
vorgesehen.
Die untere Klappe 21 besitzt an ihrem vorderen Ende Lager 27,
in denen die aus der angedeuteten Verstelleinrichtung 28, den
Winkelhebeln 39 und dem Gestänge 40 bestehende Ausschwenkvor
richtung eingreift, mit der die untere Klappe an diesem Ende
abgesenkt werden kann. Auf dem Lager 27 sind Abstandslaschen
29 angeordnet, die mit ihren anderen Enden an der oberen
Klappe 20 in den Lagern 30 drehbeweglich angelenkt sind.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende.
Mittels der einerseits an der oberen Klappe 20 an dem als
Lagerung dienenden Befestigungsauge 31 und andererseits in
den ebenfalls als Lagerung dienenden Befestigungsaugen 32 am
hinteren Ende der unteren Klappe 21 gelagerten Betätigungs
einrichtungen 33 ist der wirksame Düsenquerschnitt durch
Veränderung des Spaltes 34 zwischen der unteren kreisbogen
förmigen Fläche 35 der oberen Klappe 20 und der hinteren
Kante 36 der unteren Klappe 21 veränderbar. Bei unveränderter
Stellung der Betätigungseinrichtung 33 wird durch die
Betätigungseinrichtung 26 die untere Klappe 21 gleichzeitig
mit der oberen Klappe 20 verstellt und so mit gleichbleiben
dem Spalt 34 und somit gleichbleibendem Düsenquerschnitt nur
eine vertikale Richtungsänderung des austretenden Wasser
strahles erzeugt. In der Endstellung von 33 wird ein
vollständiges Schließen des Spaltes 34 durch unmittelbare
Auflage der Fläche 41 der unteren Klappe 21 an der
kreisbogenförmigen Fläche 35 der oberen Klappe 20 erzielt.
Auf diese Weise kann bei Liegezeiten im Hafen der Düsenquer
schnitt und damit der Strömungskanal zumindest einseitig
geschlossen werden, so daß eine Verschmutzung weitestgehend
vermieden wird.
In den Fig. 3 bis 8 sind die verschiedenen möglichen
Stellungen der Steuerklappen 20 und 21 in bezug auf den als
Strömungskanal dienenden Düsenkörper 19 und die damit
erzeugten Abströmrichtungen des Treibstrahles sowie die
Absenkung der Klappe 21 schematisch dargestellt.
In der Fig. 5 ist die "Bypaßstellung" der Düse dargestellt,
wobei der im Querschnitt 42 strömende Treibstrahl mit der
Geschwindigkeit 43 der durch den Bypaßquerschnitt 44
entsprechend der Fahrgeschwindigkeit 45 zuströmenden
Wassermasse durch Reibung und Mischung eine gegenüber dem
Treibstrahl niedrigere mittlere Austrittsgeschwindigkeit 46
im Querschnitt 34 mitteilt und so den Düsenwirkungsgrad im
niedrigen Fahrgeschwindigkeitsbereich verbessert.
In den Fig. 9 bis 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel
einer solchen Steuerdüse dargestellt. Der um eine teilweise
dargestellte vertikale Schwenkachse 22 im Pumpenkörper 18
schwenkbare Düsenkörper 19 weist zwei parallele Wangen 19
auf, zwischen denen die beiden Klappen 21a und 21b geführt
und mittels nicht dargestellter Verstelleinrichtungen in
ihrer Lage an den Lageraugen 27a, 27b, 32a und 32b derart
verstellbar sind, daß sowohl der Austrittsquerschnitt durch
den Abstand 34 der beiden hinteren Kanten 36a, 36b der
Klappen 21a, 21b einstellbar ist als auch durch eine
gleichzeitige, gleichsinnige Verstellung der beiden
Hinterkanten 36a, 36b der Klappen 21a, 21b eine vertikale
Ablenkung der wirksamen Strahlrichtung zur Trimmung erzielt
werden kann.
Durch Verschließen der Querschnitte im Bereich der
Vorderkanten 47a, 47b und des Spaltes 34 zwischen den Kanten
36a, 36b wird eine Durchströmung der Pumpe vorteilhafterweise
bei Stillstand und während Liegezeiten im Hafen und damit
deren Beschädigung verhindert.
Für den Bremsvorgang oder für die Rückwärtsfahrt wird der
Spalt 34 zwischen den hinteren Kanten 36a, 36b der Klappen
21a, 21b geschlossen, die Vorderkante 47a oder 47b oder beide
derart verstellt, daß durch den so entstehenden Spalt das von
der Pumpe beschleunigte Wasser in fast der Strömungsrichtung
in der Pumpe entgegengesetzter Richtung ausströmen kann und
so einen der normalen Fahrtrichtung entgegengesetzten Schub
erzeugt. Wird dagegen zusätzlich der Spalt 34 geöffnet,
entsteht ein als Injektor wirkender Bypaß.
In den Fig. 12 bis 14 ist eine weitere um 90° gedrehte
Ausführung der in den Fig. 9 bis 11 dargestellten
Steuereinrichtung gezeigt, wobei hier durch die gleichzei
tige, gleichsinnige Schwenkung der beiden Klappen 21a, 21b
die horizontale Strahlablenkung und damit die Steuerung der
Fahrtrichtung und durch das Verschwenken des Düsenkörpers 19
um die horizontale Achse 22 die vertikale Ablenkung des
Treibstrahles zur Trimmung erzielt wird.
Aus Fig. 15 ist das Zusammenwirken der vorstehend beschrie
benen Baugruppen-Anordnung Antrieb-Pumpe-Düse-Regler und
Servo zu ersehen, also das Betätigen der beschriebenen
Klappen der Düse über einen Regler und einen Servo in
Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Meßwerte Pumpendreh
zahl, dynamischer Druck und/oder Strömungsgeschwindigkeit im
Strömungskanal, derart, daß der Querschnitt der Düse
unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Wasserfahrzeuges
in Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpe und dem zugehörigen
Durchsatz an Wasser durch den Strömungskanal auf ein
Verhältnis von Wasserdurchsatz zu Pumpendrehzahl = konstant
geregelt wird, wobei als Regelgröße der erfaßbare dynamische
Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal und
die Drehzahl der Pumpe benutzt werden.
Das oben beschriebene Trimmen des Wasserfahrzeuges kann
selbstverständlich automatisch mit Hilfe eines Rechners
durchgeführt werden.
Claims (16)
1. Verfahren zum Betrieb eines Wasserstrahlantriebes für
Wasserfahrzeuge, mit einem einen Einlauf, eine Pumpe und
einer Austrittsöffnung umfassenden Strömungskanal sowie mit
einer der Austrittsöffnung zugeordneten, in ihrem wirksamen
Querschnitt veränderbaren und in die wirksame Strahlrichtung
steuerbaren Düse, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt
der Düse unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit des
Wasserfahrzeuges in Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpe und
dem zugehörigen Durchsatz an Wasser durch den Strömungskanal
auf ein Verhältnis von Wasserdurchsatz zu Pumpendrehzahl =
konstant geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Führungsgröße der im Bereich unveränderlichen
Querschnitts und konstanter Strömungsrichtung innerhalb des
Strömungskanals erfaßbare dynamische Druck pdyn benutzt und
nach der Gleichung
geregelt wird, wobei k einen in Abhängigkeit der Pumpen-Cha
rakteristik auf das Optimum des Pumpenwirkungsgrades
festgelegte Konstante und n die Pumpendrehzahl ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Führungsgröße die dem Durchsatz proportionale Geschwin
digkeit vx benutzt und das Verhältnis Durchsatz zu
Pumpendrehzahl gemäß
konstant gehalten wird, wobei "vx*" die Strömungsgeschwin
digkeit an der Meßstelle "x" im Betriebspunkt optimalen
Wirkungsgrades bei dem Durchsatz "Q*" und der Auslegungsdreh
zahl "n*", und die Geschwindigkeit "vx" den Meßwert bei der
augenblicklichen Pumpendrehzahl "n" und dem einzuregelnden
Durchsatz "Q" bedeuten.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Einregeln der Größe des wirksamen Düsen
austrittsquerschnittes durch mindestens zwei voneinander
unabhängig verstellbare, der Austrittsöffnung des Strömungs
kanals zugeordnete Klappen oder Schieber automatisch oder
manuell erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
für die Regelung des Durchsatz/Drehzahlverhältnisses die
Signale für die Regelgrößen pdynx und Drehzahl durch einen
Rechner in die erforderlichen Verstellungen der Steuerklappen
bewirkende Stellsignale verarbeitet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die für die Regelung des Durchsatz/Drehzahlverhältnisses
erforderlichen Signale zwecks manueller Steuerung des
optimalen Düsenquerschnittes zur Anzeige gebracht werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die den wirksamen Düsenaustrittsquer
schnitt bestimmenden Klappen oder Schieber zusätzlich für
eine vertikale Ablenkung des Treibstrahles zum Trimmen des
Wasserfahrzeuges benützt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
für das Betätigen des vertikalen Ablenkens des Treibstrahles
zum Trimmen des Fahrzeuges Sensoren zwecks Ermittlung der
Lage des Wasserfahrzeuges um seine Quer- und/oder Längsachse
verwendet werden, deren Signal zur Anzeige der Abweichung vom
Sollwert und/oder zur Bildung von Steuerbefehlen verwendet
werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Trimmen des Wasserfahrzeuges um seine
Quer- und/oder Längsachse automatisch mit Hilfe eines
Rechners durchgeführt wird.
10. Wasserstrahlantrieb zur Durchführung des Verfahrens
nach den Ansprüchen 1 bis 9, mit einem in Vorausrichtung am
Wasserfahrzeug angeordneten Strömungskanal mit einem eine
Ansaugöffnung aufweisenden Einlauf an seinem vorderen Ende
sowie mit einer dem Einlauf nachgeordneten ein- oder
mehrstufigen Pumpe im mittleren Bereich des Strömungskanals
zum Ansaugen und Beschleunigen von Wasser und mit Einrich
tungen zum Verändern des wirksamen Querschnittes einer in die
wirksame Strahlrichtung steuerbaren Düse an der Strahlaus
trittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig
verstellbar gelagerte Steuerklappen (20, 21) vorhanden sind,
wobei die eine Steuerklappe kreisbogenförmig ausgebildet und
unmittelbar um ein im Düsenkörper (19) angebrachtes Lager
(25′) schwenkbar angeordnet ist, und daß die zweite
Steuerklappe gerade ausgebildet und in ihrer Lage mittels
zwei an beiden Enden gelagerten und voneinander unabhängigen
Verstelleinrichtungen derart verstellbar ist, daß durch sie
sowohl an ihrem vorderen Ende zum Düsenkörper hin oder in
Bezug auf das hintere Ende zu der Unterkante der kreisbogen
förmigen Klappe oder in Bezug auf beide Enden ein Spalt für
den austretenden Wasserstrahl freigegeben ist.
11. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die vordere Kante (47) der unteren Steuerklappe
(21) mittels der Verstelleinrichtung (28) derart absenkbar
gelagert ist, daß ein als Injektor wirkendes Bypaß entsteht,
durch den aus dem als Treibstrahl dienenden Strom der von der
Pumpe geförderten Wassermenge eine zusätzliche Wassermenge
von unten angesaugt und beschleunigt wird, derart, daß die
die Düse verlassende Wassermenge vergrößert, deren mittlere
Geschwindigkeit verkleinert und somit bei niedrigen
Fahrgeschwindigkeiten eine Schuberhöhung erzielbar ist.
12. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 und 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die untere Klappe (21) am
vorderen Lager (27) bei geöffnetem Spalt (34) absenkbar
derart gelagert ist, daß ein eine Steuerung des Wasserfahr
zeuges auch im Schleppbetrieb ermöglichendes Passivruder
gebildet ist.
13. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die untere Klappe (21) in bezug
auf die Vorderkante (47) im Bereich des Lagers (27) und an
der Hinterkante (36) zur oberen Klappe (20) der wasser
führende Kanal des gesamten Wasserstrahlantriebes von der
Austrittsseite her verschließbar derart gelagert ist, daß
eine Durchströmung und/oder Beschädigung der inneren
Pumpenteile bei Stillstand des Antriebes unterbunden ist.
14. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 13
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappen (20, 21)
gleichzeitig und gleichsinnig (Verstelleinrichtung 26)
verstellbar gelagert sind.
15. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das die Düse (D) tragende Bauteil
als um eine senkrechte Achse (22) schwenkbares Gehäuse (19)
ausgebildet ist, dessen Achse (22) senkrecht oder gegen die
Senkrechte geneigt ist.
16. Wasserstrahlantrieb nach den Ansprüchen 10 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gehäuse (19) zugeordnete
obere Klappe (20) eine der Form des Austrittsquerschnitts des
Gehäuses (19) entsprechend gewölbte Form aufweist und als
obere Begrenzung des Düsenquerschnittes dient, daß die untere
Klappe (21) eben ausgebildet und zweifach gelagert (27, 32)
ist, und daß über eine Verstelleinrichtung (28) die vordere
Lagerung (27) der unteren Klappe (21) absenkbar ist.
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