EP1315653A2 - Antrieb für schnelle schiffe - Google Patents

Antrieb für schnelle schiffe

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EP1315653A2
EP1315653A2 EP01984587A EP01984587A EP1315653A2 EP 1315653 A2 EP1315653 A2 EP 1315653A2 EP 01984587 A EP01984587 A EP 01984587A EP 01984587 A EP01984587 A EP 01984587A EP 1315653 A2 EP1315653 A2 EP 1315653A2
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EP
European Patent Office
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drive according
nozzle
impeller
section
guide
Prior art date
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EP01984587A
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English (en)
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Reinhold Reuter
Manfred Heer
Stefan Kaul
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Siemens AG
Original Assignee
Schottel GmbH and Co KG
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Publication date
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    • 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
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    • B63H2011/084—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of rotary type with two or more pump stages

Definitions

  • Ship propulsion systems with a motor, preferably an electric motor, in a gondola below the ship and at least one propeller driven by this motor outside the one end of the gondola are preferably to be used economically for ship speeds from 20 knots; they are commonly referred to as PoD drives. In the speed range above 20 knots, however, only less than optimal efficiency can be achieved with propeller drives.
  • the object of the present invention is to demonstrate a ship propulsion system which can be used advantageously in particular in the speed range from approximately 25 to approximately 30 knots.
  • the drive according to the present invention is characterized by the claims.
  • the drive according to the invention can be referred to as a storage jacket engine.
  • a jacketed turbomachine with at least one axially or diagonally flowed rotor is arranged outside the ship and is more suitable with the ship Way firmly connected. It is characterized by its compact design and high efficiency at higher speeds.
  • the design of the fluid machine is particularly suitable for implementation as a controllable drive.
  • the flow is advantageously delayed by the shape of the casing (curvature) and / or the cross-sectional distribution up to the impeller.
  • Curvature shape of the casing
  • / or the cross-sectional distribution up to the impeller One can speak of an inlet diffuser.
  • the subsequent guide wheel redirects the tangential speed components of the impeller jet (swirl).
  • the flow is accelerated to the exit speed, which among other things determines the rate of deployment of the system.
  • the impeller size is determined by the required performance data and the cavitation conditions. With the same thrust, a smaller impeller must have a higher speed, which, however, is limited by the given inlet pressure. This also gives the minimum diameter of the impeller.
  • the impeller diameter determines the main dimensions of the engine and, in addition to the shape, these determine the resistance of the drive, by which the propulsive force is reduced.
  • the necessary hub ratio (this is the ratio of the impeller diameter to the hub diameter) of approximately 0.5 means that an electric motor can be used in the hub. This should have a high power density, which can be achieved in particular by a permanently excited synchronous motor in the longitudinal flow design. The heat loss generated in the motor can be released directly into the water via the hub surface, whereby a construction with a shrunk motor is very advantageous.
  • the characteristic curve is particularly problematic taking into account the following criteria.
  • the propeller In applications with a variable driving regime, such as different loading conditions and / or different driving speeds, the propeller has different angles of attack on the Biatt and shifts in the free travel diagram generally lead to less favorable degrees of efficiency. With the pump, this leads to shifts in the operating point.
  • the so-called throttle curve is the characteristic curve of the pump.
  • the driving speed provides an additional pressure head, which is super-positioned with the pump head.
  • the conventional waterjets suck in from the boundary layer.
  • the drive according to the invention can in principle be positioned lower in order to be able to process a higher speed. However, more components and larger surfaces also mean higher resistance, which is particularly important at higher speeds.
  • the characteristic curve of the system can be changed by means of adjustable blades of the impeller and / or guide wheel and a pretensioning device with adjustable blades. A pre-twist device makes particular sense if an adjustable nozzle outlet surface is provided at the same time.
  • Multi-stage systems with counter-rotating impellers divide the specific nozzle work and thus the load into several stages. This increases cavitation security because the individual stage is less stressed. The remaining twist will be almost completely reduced in the second stage by counter-rotation. In this case, the lossy idler wheel is not required.
  • the electric motor There are various concepts for integrating the electric motor. It can be designed such that the outer part of the electric motor here represents the rotating rotor, which is connected to an impeller.
  • the inner part of the electric motor is fixed (stator of the electric motor) and is the axis on which the rotor is mounted (rolling bearings, plain bearings). This axis can be connected upstream and downstream of the rotor to the nozzle (the nozzle inner jacket) via aerodynamically shaped struts. It is particularly advantageous to design these struts as guide devices (pre-guide and guide wheel) in order to minimize flow losses.
  • the electric motor can also be integrated so that its outer part is standing (stator, as usual) and the inner part (rotor) is rotating.
  • the stator is again connected to the drive via struts, which advantageously represent the stator.
  • the impeller is connected to the rotor and can extend over the stator so that the motor can build longer.
  • the bearing can be designed in such a way that it is located completely behind or in front of the impeller (floating bearing) or that the impeller is mounted in front of and behind the impeller (fork bearing).
  • the electrical energy, signals and cooling media can be supplied in the blades (hollow) of a stator.
  • the adjusting device of the guide vanes can be such that the guide vanes are in several parts with fixed parts and one or more movable parts.
  • the power transmission (thrust, torsional moment) would then take place via the fixed parts and would not burden the bearing of the parts to be adjusted.
  • the adjusting device of the guide vanes can be installed in the hub where there is sufficient space.
  • the adjustment can be carried out hydraulically, pneumatically or electrically using levers. The necessary energy can be supplied within the guide vanes.
  • the adjustment of the nozzle can * be advantageously carried out in such a way that a profile body is axially adjusted in position from the hub contour in such a way that the cross section of the nozzle outlet changes.
  • a telescopic cover prevents the flow from detaching or swirling.
  • Control by deflecting the thrust on a plate in the nozzle outlet is simple but not very effective at low relative speeds. Swiveling the nozzle Leaving is almost synonymous with straightening the overall thrust. Swiveling the entire drive is the best solution for low speeds. To keep the course at higher speeds, there is a restricted swiveling of the entire drive, combined with additional flaps (which are attached to the drive and, thanks to their swiveling ability, enable control at small angles without swiveling the drive), unilaterally controlled stall (introduction of air or electromagnetic energy) or simple nozzle flap a solution.
  • the ship propulsion system consists of a drive unit arranged outside the hull, which is formed from a nacelle with an integrated motor, preferably an electric motor, which has one or more successively connected impellers (pump impellers) in the same or drives the opposite direction of rotation directly, whereby a stator is arranged after, in front of or between the impeller or the impellers, and the impeller and stator are encased by a housing, the cross section of which continuously widens from the inlet to the level of the first impeller and then widens to an adjustable cross section changed, which, together with an adjustable stator in the intake section, enables a dynamic characteristic curve that enables adaptation to a wide variety of operating conditions.
  • the main advantages of the invention are higher efficiency than conventional propulsors, power density, since the large hub required for flow geometry enables a motor with high torque,
  • FIG. 1 shows a water jet drive according to the invention as a central longitudinal section
  • FIG. 2 is a detail from FIG. 1 in a larger representation
  • FIG. 3 is an explanation of another embodiment compared to FIG. 1.
  • the entire drive is arranged in a housing 1, at the inlet of which is characterized by a guide device 2, a section 3 is connected, the cross section of which extends up to the impeller 4, which may be the first of several impellers, preferably continuously.
  • This section 3 of the housing 1 is followed by a section 5, the cross section of which can be changed, but in principle becomes smaller towards the outlet 6.
  • a mounting flange 7 is permanently assigned to the housing 1, with which the entire drive is to be attached to the outside of the hull 100.
  • the attachment to the ship's hull can be such that the entire drive can be pivoted by up to 360 ° about the vertical longitudinal axis 8 of the mounting flange 7, so that it is not only the propulsion but also the control (Determining the direction of travel) of the ship can serve.
  • the longitudinal axis 8 of the flange 7 is directed perpendicular to the longitudinal axis 9 of the housing 1.
  • the optionally only impeller 4 is arranged in the housing 1 so that it can rotate about the longitudinal axis 9 of the housing.
  • the impeller 4 is driven by an electric motor, the stator 11 of which is on the inside and the rotor 12 of which is on the outside.
  • the rotor 12 In front of and behind the impeller 4 or the motor 11, 12, the rotor 12 is rotatably supported in bearings 13, 14 about its longitudinal axis 9. Upstream of the impeller 4 is the guiding device 2, which can be adjusted by means of an adjusting device 15.
  • the aerodynamically designed hub cap 16 is arranged in front of the guide device 2.
  • a second diffuser 18, adjustable with an adjusting device 17, is connected downstream of the impeller 4.
  • An adjusting device 19 for changing the cross section of the part of the housing 1 designed as an outflow nozzle is arranged in the downstream area of the housing 1 and preferably includes a piston-cylinder device.
  • the motor is designed such that the outer part is the rotor 12 and the inner part is the stator 11, the rotor 11 acts on the at least one impeller 4 and the stator 12 is in front of and behind with streamlined struts the impellers attached to the housing 1.
  • the guide device 2 consists of two successive parts 2a, 2b, of which the front part 2a is fixed between the housing 1 and the existing cap 16.
  • This front part 2a of the guide device 2 is a guide grill with fixed blades, which are set in such a way that a rough orientation of the flow flowing to the drive is achieved over the entire operating range. It serves for stabilization of the housing 1 in the inflow region 3.
  • the fixed guide grille 2a is followed as the second part of the guide device 2b, with adjustable blades pivotable about its longitudinal axes 21. With the second part 2b of the guide device 2, the operating state-dependent fine alignment of the flow flowing towards the drive takes place.
  • the adjusting blades 10, with their peg-like blade feet 20, are guided through the hub cap 16 so as to pivot about their longitudinal axes 21 and are assigned to the adjusting device 15, which can be of a type known per se.
  • the change in the cross section of the constricting outlet nozzle, which adjoins the expanding housing inlet part 3 of the housing 1, the end part 5 of the housing 1 is carried out with a cone 25 with a convex curvature, which is translationally adjustable in the direction of the longitudinal axis 9 of the drive and is symmetrical to the axis 9 circumferential surface.
  • the larger cross-section of this component which is referred to as the "outflow cap" faces the inlet-side end of the flow channel 26 enclosed by the housing 1, while the cone tip faces the outlet-side end of the flow channel 26 and the outlet plane 6.
  • the axial adjustment of the outflow cap 25 is used by the adjusting device 19, one of its essential parts of which is a cylinder 23 held symmetrically to the axis 9 in the housing 1 by suitable means, from the end facing the housing outlet an adjusting piston 24 which is translationally adjustable in the cylinder 23 by hydraulic pressure medium as another of the essential parts of the adjusting device is brought out and the free end of which is firmly connected to the outflow cap 25.
  • a telescopic cover 28 is provided which is arranged symmetrically to the adjusting piston 24 or to the drive longitudinal axis 9, one end of which is fixedly arranged in the housing 1. Neten adjusting cylinder 23 and the other end is fixedly associated with the adjustable outflow cap 25 relative to the housing 1.
  • the outflow cap 25 is shown in its two end positions.
  • the outflow cap In the lower part of Fig. 1, the outflow cap is shown in its outer end position, in which it is located with its inner end with the larger diameter in the nozzle or housing end plane 6, otherwise essentially outside the housing 1, so that the smallest annular outlet cross section of the flow channel 26 is determined.
  • the outflow cap 25 In the upper part of FIG. 1, the outflow cap 25 is shown in its inner end position, in which it is located with its outer tip end in the nozzle or housing end plane 6 and essentially inside the housing, so that the largest annular outlet cross section of the flow channel 26 is determined.
  • FIG. 3 shows one of a plurality of nozzle flaps 25a, which are articulated in joints 29 on the housing 1 and can be pivoted in the direction of the double arrow 30 opposite the latter.
  • FIG. 2 An example of an adjustment device for the second part 2b of the inlet guide device 2 is shown in FIG. 2.
  • the first guide vane ring 2a with its fixed guide vanes can be seen, through the hollow blades of which lines 31 for the supply of hydraulic working fluid to supply lines 32 and further to the symmetrical to the longitudinal axis 9 of the adjusting cylinder 33 for the adjustment of the adjusting piston 33 arranged in the adjusting cylinder 33 are passed through.
  • the adjusting piston 34 acts counter to the action of a prestressed clock spring 35 on a rack 36, which in turn acts with a gear 37 on the pin-like foot 20 of the respective adjusting blade of the blade ring 2b, the blades of which are to be adjusted or pivoted about their longitudinal axes 21.
  • the exemplary cross-sections of the blades of the blade rings 2a, 2b are shown in the views.
  • the upper ends of the guide vanes 10 of the second, adjustable guide vane ring 2b with journals 2c are mounted in the housing 1 (pivoting movement according to double arrow 101).
  • the flow channel 26 preferably has an at least substantially circular cross-section, although its oval shape should not be excluded.
  • the inlet can be flattened or oval to prevent foreign bodies from being sucked in by forming a suction vortex with an otherwise annular flow channel 26.

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Description

Antrieb für schnelle Schiffe
Schiffsantriebe mit einem Motor, vorzugsweise einem Elektromotor, in einer Gondel unterhalb des Schiffes und mindestens einem von diesem Motor angetriebenen Propeller außerhalb des einen Gondelendes sind vorzugsweise für Schiffsgeschwindigkeiten ab 20 Knoten mit wirtschaftlichem Vorteil einzusetzen; sie werden allgemein als PoD-Antriebe bezeichnet. In dem Geschwindigkeitsbereich über 20 Knoten ist jedoch mit Propellerantrieben nur ein nicht optimaler Wirkungsgrad zu erzielen.
Häufig verwendete Schiffsantriebe mit mindestens einem Wasserstrahl, der aus dem das Schiff umgebenden Wasser gebildet wird, im Schiff mit Energie angereichert wird und als energiereicher Wasserstrahl das Schiff verläßt, um dieses anzutreiben, sind in Geschwindigkeitsbereichen über 35 Knoten effizient einzusetzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schiffsantrieb aufzuzeigen, der besonders im Geschwindigkeitsbereich von etwa 25 bis etwa 30 Knoten vorteilhaft einsetzbar ist.
Der Antrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gekennzeichnet. Der erfindungsgemäße Antrieb kann als Staumanteltriebwerk bezeichnet werden. Bei dieser erfindungsgemäßen Antriebsform ist eine ummantelte Strömungsmaschine mit zumindest einem axial oder diagonal durchströmten Rotor außerhalb des Schiffes angeordnet und mit dem Schiff in geeigneter Weise fest verbunden. Sie zeichnet sich durch kompakte Bauweise und einen hohen Wirkungsgrad bei höheren Geschwindigkeiten aus. Die Bauart der Strömungsmaschine eignet sich besonders auch für die Umsetzung als steuerbarer Antrieb.
Es handelt sich um eine Axial- oder Diagonalpumpe bestehend aus Laufrad (auch Impeller genannt) und Leitrad. Diese Pumpe ist mit einem als Düse ausgestalteten Gehäuse ummantelt. Das Problem bei hohen Geschwindigkeiten und niedrigen Tauchtiefen ist die extreme Kavitationsgefährdung von hochbelasteten Propellern. Beim erfindungsgemäßen Triebwerk wird im Düseneintritt Strömung aufgestaut, praktisch das Drucknive.au extrem erhöht, um die Unterschreitung des Dampfdrucks weitestgehend zu unterbinden.
Das bedeutet, dass die Strömung vorteilhafterweise durch die Formgebung der Ummantelung (Wölbung) und/oder die Querschnittsverteilung bis zum Laufrad hin verzögert wird. Es kann von einem Eintrittsdiffusor gesprochen werden. Das anschließende Leitrad lenkt die tangentialen Geschwindigkeitsanteile des Laufradstrahles um (Entdrallung). Im weiteren Düsenverlauf wird die Strömung auf die Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt, die u.a. die Höhe der Einsatzgeschwindigkeit des Systems bestimmt.
Für die Dimensionierung des Systems wird die Laufradgröße von den geforderten Leistungsdaten und den Kavitationsbedingungen bestimmt. Bei gleichem Schub muß ein kleineres Laufrad eine größere Drehzahl haben, welche jedoch durch den gegebenen Zulaufdruck begrenzt ist. Dadurch wird auch der Minimaldurchmesser des Laufrades gegeben. Der Laufraddurchmesser bestimmt die Hauptabmessungen des Triebwerkes und diese wiederum sind neben der Form bestimmend für den Widerstand des Antriebes, um den die Vortriebskraft vermindert wird. Das notwendige Nabenverhältnis (das ist das Verhältnis des Laufraddurchmessers zum Nabendurchmesser) von etwa 0,5 führt dazu, dass in der Nabe ein Elektromotor verwendet werden kann. Dieser sollte dabei eine große Leistungsdichte besitzen, was insbesondere durch einen permanenterregten Synchronmotor in Longitudinalflußbauweise verwirklicht werden kann. Die im Motor entstehende Verlustwärme kann direkt über die Nabenoberfläche ins Wasser abgegeben werden, wobei eine Bauweise mit eingeschrumpftem Motor sehr vorteilhaft ist.
Von besonderer Problematik ist die Kennlinie unter Berücksichtigung folgender Kriterien.
Schmales Gebiet optimalen Wirkungsgrades, starker Abfall des Wirkungsgrades außerhalb des Betriebspunktes;
Anfahren ist bei großen Einheiten praktisch nicht möglich, weil der erforderliche Staudruck und/oder der Schub fehlt. Bei konventionellen Waterjets wird das Problem dadurch gelöst, dass die eigentlichen Antriebe durch kleinere Antriebe zum Anfahren ergänzt werden.
Bei Anwendungen mit variablem Fahrregime, wie unterschiedliche Beladungszustände und/oder unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten, kommt es beim Propeller zu anderen Anströmwinkeln am Biatt und zu Verschiebungen im Freifahrtdiagramm in der Regel zu ungünstigeren Wirkungsgraden. Bei der Pumpe führt das zu Verschiebungen des Arbeitspunktes. Die sogenannte Drosselkurve ist die Kennlinie der Pumpe. Mit zunehmendem Volumenstrom (Durchsatz) sinkt die spezifische Stutzenarbeit (Förderhöhe). Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit nimmt der Widerstand des anzutreibenden Schiffes zu. Die Austrittsgeschwindigkeit muß ebenfalls zunehmen. Die Verschiebung des Pumpenarbeitspunktes wirkt damit dem Bedarf entgegen. Wichtig ist in der Betrachtung des Problems die Umsetzung der gesamten spezifischen Stutzenarbeit in Vortriebsschub. Die Fahrgeschwindigkeit liefert dabei eine zusätzliche Druckhöhe, die sich mit der Förderhöhe der Pumpe superpositioniert. Durch entsprechende Gestaltung des Eintritts (Ansaugbereich) soll ein möglichst hoher Anteil dieser "Geschwindigkeitsdruckhöhe" ausgenutzt werden.
Um über den gesamten Geschwindigkeits- und Belastungsbereich eines Schiffes einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten, ist es erforderlich, die Kennlinie der Pumpe anzupassen, indem der Austrittsquerschnitt jeweils den geschwindigkeitsabhängig unterschiedlichen Druckhöhen angepaßt wird.
Die Gestaltung des Einlaufs bei konventionellen Wasserstrahlantrieben (im Rumpf integriert) führt zu Problemen hinsichtlich der Umlenkungen und dem Vorhandensein einer Antriebswelle im Saugkanal. Ablösungen und Kavitation sind die Folgen, die insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen zu Vibrationen, Geräuschen und Schubabfall führen. Es ist üblich, diese beim Anfahren wichtigen Bereiche der Kennlinie zu sperren.
Im Falle des erfindungsgemäßen Antriebes ist eine weitgehend freie Zuströmung realisiert, weil der Antrieb außerhalb des Schiffsrumpfes ohne die Strömung störende Teile auskommt.
Die konventionellen Waterjets saugen aus der Grenzschicht an. Der erfindungsgemäße Antrieb kann grundsätzlich tiefer positioniert werden, um eine höhere Geschwindigkeitshöhe verarbeiten zu können. Mehr Bauteile und größere Oberflächen bedeuten allerdings auch einen höheren Widerstand, was insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten zu Buche schlägt. Durch verstellbare Schaufeln des Laufrades und/oder Leitrades sowie einer Vordralleinrichtung mit verstellbaren Schaufeln kann die Kennlinie des Systems verändert werden. Eine Vordralleinrichtung macht insbesondere Sinn, wenn gleichzeitig eine verstellbare Düsenaustrittsfläche vorgesehen wird.
Durch mehrstufige Systeme mit gegenläufigen Laufrädern wird die spezifische Stutzenarbeit und damit die Belastung auf mehrere Stufen aufgeteilt. Damit erhöht sich die Kavitationssicherheit, weil die einzelne Stufe weniger belastet ist. Der Restdrall wird bereits in der zweiten Stufe durch Gegenlauf nahezu vollständig abgebaut sein. Das verlustbehaftete Leitrad wird in diesem Fall nicht benötigt.
Es bieten sich verschiedene Konzepte an, den Elektromotor zu integrieren. Er kann derart gestaltet sein, dass das Außenteil des E-Motors hier den umlaufenden Rotor darstellt, der mit einem Laufrad verbunden ist. Das Innenteil des E-Motors steht fest (Stator des E-Motors) und ist die Achse, auf dem der Rotor gelagert ist (Wälzlager, Gleitlager). Diese Achse kann vor und nach dem Rotor mit der Düse (dem Düseninnenmantel ) über strömungsgünstig geformte Streben verbunden werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, diese Streben als Leiteinrichtungen (Vorleit- und Leitrad) zu gestalten, um Strömungsverluste zu minimieren.
Der Elektromotor kann aber auch so integriert sein, dass sein Außenteil steht (Stator, wie üblich) und das Innenteil (Rotor) sich dreht. Der Stator wird wieder über Streben mit dem Antrieb verbunden, die vorteilhafterweise das Leitrad darstellen. Das Laufrad ist mit dem Rotor verbunden und kann sich über den Stator erstrecken, so dass der Motor länger bauen kann. Die Lagerung kann derart gestaltet sein, dass sie sich vollständig hinter oder vor dem Laufrad befindet (fliegende Lagerung) oder dass das Laufrad vor und hinter dem Laufrad gelagert ist (Gabellagerung).
Die elektrische Energie, Signale und Kühlmedien können in den Flügeln (hohl) eines Leitrades zugeführt werden.
Die VerStelleinrichtung der Leitflügel kann derart sein, dass der Leitflügel mehrteilig ist mit feststehenden Teilen und einem oder mehreren beweglichen Teilen. Die Kraftübertragung (Schub, Torsionsmoment) würde dann über die feststehenden Teile erfolgen und die Lagerung der zu verstellenden Teile nicht belasten.
Da der Düsenaußenmantel zur Minimierung des Widerstandes mit möglichst geringem Durchmesser ausgeführt werden sollte, kann die Versteileinrichtung der Leitflügel in die Nabe verlegt werden, wo ausreichend Platz besteht. Die Verstellung kann über Hebel hydraulisch, pneu atich oder elektrisch erfolgen. Die Zuführung der notwendigen Energie kann innerhalb der Leitflügel erfolgen.
Die Verstellung der Düse kann* vorteilhaft derart gelöst werden, dass aus der Nabenkontur ein Profilkörper axial in seiner Position derart verstellt wird, dass sich der Düsenaustrittsquerschnitt verändert. Eine Teleskopverkleidung verhindert dabei eine Ablösung oder Wirbel der Strömung.
Eine Steuerung durch Ablenkung des Schubes an einer Platte im Düsenaustritt ist einfach aber bei kleinen Relativgeschwindigkeiten nicht sehr wirkungsvoll. Das Schwenken des Düsen- austritts ist nahezu gleichbedeutend mit dem Richten des Gesamtschubes. Das Schwenken des gesamten Antriebes ist für niedrige Geschwindigkeiten die beste Lösung. Zum Kurshalten bei höheren Geschwindigkeiten ist eine eingeschränkte Schwenkbarkeit des Gesamtantriebes, kombiniert mit Zusatzflaps (die am Antrieb befestigt sind und durch ihre Schwenkbarkeit ein Steuern bei kleinen Winkeln ermöglichen, ohne den Antrieb zu schwenken), einseitig kontrolliertem Strömungsabriß (Einbringung von Luft oder elektromagnetischer Energie) oder einfacher Düsenklappe eine Lösung.
Zur Reduzierung des Zusatzwiderstandes des Antriebs selbst muß eine Formoptimierung erfolgen. Weiterhin ist das Einbringen von Luft zur Reduzierung der Oberflächenreibung am Außenmantel eine Möglichkeit.
Zusammenfassend kann insoweit ausgeführt werden, dass der erfindungsgemäße Schiffsantrieb aus einer außerhalb des Rumpfes angeordneten Antriebseinheit besteht, die sich aus einer Gondel mit integriertem Motor, vorzugsweise Elektromotor, bildet, der ein bzw. mehrere nacheinander geschaltete Laufräder (Pum- penlaufräder) in gleich- oder gegenläufiger Drehrichtung direkt antreibt, wobei nach, vor oder zwischen dem Laufrad oder den Laufrädern ein Leitrad angeordnet ist sowie Laufrad und Leiträder durch ein Gehäuse ummantelt sind, dessen Querschnitt sich vom Eintritt bis zur Ebene des ersten Laufrades stetig erweitert und sich anschließend auf einen einstellbaren Querschnitt verändert, die zusammen mit einem einstellbaren Vorleitrad im Ansaugteil eine dynamische Kennlinie ermöglicht, die eine Anpassung an die unterschiedlichsten Betriebsbedingungen ermöglicht. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind höherer Wirkungsgrad als herkömmliche Propulsoren, Leistungsdichte, da die strömungsgeometrisch erforderliche große Nabe einen Motor großen Drehmomentes ermöglicht,
- niedrigere Druckimpulse als ein Propellersystem, da der Impulserzeuger durch die Düse gekapselt ist, kompakte Bauweise, geringer Durchmesser,
- eingeschränkte Steuerung und Vollsteuerung möglich,
- dynamische Kennlinie ermöglicht Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Wasserstrahlantrieb als Mittellängsschnitt dargestellt, Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus Figur 1 in größerer Darstellung und Fig. 3 ist die Erläuterung einer gegenüber Fig. 1 anderen Ausführungsform.
Der gesamte Antrieb ist in einem Gehäuse 1 angeordnet, an dessen durch eine Leiteinrichtung 2 gekennzeichneten Einlaß sich ein Abschnitt 3 anschließt, dessen Querschnitt sich bis zum Laufrad 4, das gegebenenfalls das erste von mehreren Laufrädern ist, vorzugsweise stetig erweitert. An diesen Abschnitt 3 des Gehäuses 1 schließt sich ein Abschnitt 5 an, dessen Querschnitt veränderbar ist, grundsätzlich jedoch zum Auslaß 6 hin kleiner wird. Zwischen den Abschnitten 3 und 5 ist ein Befestigungsflansch 7 dem Gehäuse 1 fest zugeordnet, mit dem der gesamte Antrieb außen am Schiffsrumpf 100 zu befestigen ist. Gegebenenfalls kann die Befestigung am Schiffsrumpf derart sein, dass der gesamte Antrieb um die vertikale Längsachse 8 des Befestigungsflansches 7 um bis zu 360° schwenkbar ist, so- dass er nicht nur dem Vortrieb, sondern auch der Steuerung (Bestimmung der Fahrtrichtung) des Schiffes dienen kann. Die Längsachse 8 des Flansches 7 ist senkrecht zur Längsachse 9 des Gehäuses 1 gerichtet. Um die Gehäuselängsachse 9 drehbar ist das gegebenenfalls einzige Laufrad 4 im Gehäuse 1 angeordnet. Der Antrieb des Laufrades 4 erfolgt mit einem Elektromotor, dessen Stator 11 innen, dessen Rotor 12 außen liegt. Vor und hinter dem Laufrad 4 bzw. dem Motor 11, 12 ist der Rotor 12 in Lagern 13, 14 um seine Längsachse 9 drehbar gelagert. Dem Laufrad 4 vorgeschaltet ist die Leitvorrichtung 2, die mittels einer VerStelleinrichtung 15 verstellbar ist. Vor der Leitvorrichtung 2 ist die strömungsgünstig ausgebildete Nabenkappe 16 angeordnet. Ein mit einer Versteileinrichtung 17 verstellbar zweiter Leitapparat 18 ist dem Laufrad 4 nachgeschaltet. Im abströmseitigen Bereich des Gehäuses 1 ist eine VerStelleinrichtung 19 für die Veränderung des als Abströmdüse ausgebildeten Teiles des Gehäuses 1 bezüglich ihres Querschnitts angeordnet und sie schließt vorzugsweise eine Kolben-Zylinder-Einrichtung ein.
Ist der Motor, wie dargestellt, so ausgebildet, dass das Aus- senteil der Rotor 12 und das Innenteil der Stator 11 ist, so wirkt der Rotor 11 auf das zumindest eine Laufrad 4 ein und der Stator 12 ist mit strömungsgünstig ausgebildeten Streben vor und hinter den Laufrädern am Gehäuse 1 befestigt.
Die Leiteinrichtung 2 besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilen 2a, 2b, von denen der vordere Teil 2a zwischen Gehäuse 1 und bestehender Kappe 16 fest angeordnet ist. Dieser vordere Teil 2a der Leiteinrichtung 2 ist ein Leitgitter mit feststehenden Schaufeln, die so eingestellt sind, dass eine Grobausrichtung der den Antrieb anströmenden Strömung über den gesamten Betriebsbereich erreicht wird. Er dient der Stabilisierung des Gehäuses 1 im Anströmbereich 3. Auf das feste Leitgitter 2a folgt als zweiter Teil der Leiteinrichtung 2b, mit um ihre Längsachsen 21 schwenkbaren Verstellschaufeln. Mit dem zweiten Teil 2b der Leiteinrichtung 2 erfolgt die betriebszu- standsbedingte Feinausrichtung der den Antrieb anströmenden Strömung. Die Verstellschaufeln 10 sind mit ihren zapfenartigen Schaufelfüßen 20 um ihre Längsachsen 21 schwenkbar durch die Nabenkappe 16 hindurchgeführt und der Versteileinrichtung 15 zugeordnet, die von an sich bekannter Art sein kann.
Die Änderung des Querschnittes des als sich verengende Auslaßdüse ausgebildeten, an den sich erweiternden Gehäuseeinlaßteil 3 des Gehäuses 1 anschließenden Endteils 5 des Gehäuses 1 erfolgt mit einem in der Richtung der Längsachse 9 des Antriebes translatorisch verstellbaren, symmetrisch zur Achse 9 ausgebildeten Kegel 25 mit konvex gewölbter Umfangsflache. Der größere Querschnitt dieses als "Abströmkappe" zu bezeichnenden Bauteiles ist dem einlaßseitigen Ende des vom Gehäuse 1 umschlossenen Strömungskanals 26 zugewandt, während die Kegelspitze dem auslaßseitigen Ende des Strömungskanals 26 und der Auslaßebene 6 zugewandt ist. Der axialen Verstellung der Abströmkappe 25 dient die VerStelleinrichtung 19, deren eines seiner wesentlichen Teile ein symmetrisch zur Achse 9 im Gehäuse 1 mit geeigneten Mitteln gehaltener Zylinder 23 ist, aus dessen dem Gehäuseauslaß zugewandten Ende ein im Zylinder 23 durch hydraulisches Druckmittel translatorisch verstellbarer Verstellkolben 24 als ein anderes der wesentlichen Teile der Versteileinrichtung herausgeführt ist und dessen freies Ende mit der Abströmkappe 25 fest verbunden ist. Um die Wirbelbildung im Strömungskanal 20 im Bereich der Versteileinrichtung 19 zu minimieren, ist eine symmetrisch zum Verstellkolben 24 bzw. zur Antriebslängsachse 9 angeordnete Teleskopverkleidung 28 vorgesehen, deren eines Ende dem fest im Gehäuse 1 angeord- neten Verstellzylinder 23 und deren anderes Ende fest der gegenüber dem Gehäuse 1 verstellbaren Abströmkappe 25 zugeordnet ist.
In der Zeichnung ist die Abströmkappe 25 in ihren beiden Endstellungen dargestellt. Im unteren Teil der Fig. 1 ist die Abströmkappe in ihrer äußeren Endstellung dargestellt, in der sie sich mit ihrem inneren Ende mit dem größeren Durchmesser in der Düsen- bzw. Gehäuseendebene 6, im übrigen im wesentlichen außerhalb des Gehäuses 1 befindet, sodass der kleinste ringförmige Auslaßquerschnitt des Strömungskanals 26 bestimmt ist. Im oberen Teil der Fig. 1 ist die Abströmkappe 25 in ihrer inneren Endstellung dargestellt, in der sie sich mit ihrem äußeren spitzen Ende in der Düsen- bzw. Gehäuseendebene 6 und im wesentlichen innerhalb des Gehäuses befindet, sodass der größte ringförmige Auslaßquerschnitt des Strömungskanals 26 bestimmt ist.
Durch sinnvolles Verstellen des Einlaßleitkranzteiles 2b und der Abströmkappe 25 kann dafür gesorgt werden, dass für das den Strömungskanal 26 des Antriebes durchströmende Wasser optimale Strömungsverhältnisse in jedem Betriebszustand gewährleistet werden können, insbesondere unter Berücksichtigung der Drehzahl des Laufrades 4.
So wie die Ausbildung der VerStelleinrichtung 15 und der Einlaßleiteinrichtung 2 für die Bestimmung des Einlaßdüsenquerschnittes beispielhaft ist, ist auch die Ausbildung der Ver- stelleinrichtung 19 mit dem verstellbaren Kegel 25 für die Bestimmung des Aulaßdüsenquerschnitts nur beispielhaft, was der Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet leicht erkennen kann. An die Stelle des starren Auslaßdüsenaußenteiles und der ihm ge- genüber verstellbaren Abströmkappe können beispielsweise Düsenteile schwenkbar am Gehäuse 1 gelagert sein, die sich zur Verringerung des Düsenquerschnitts mehr, zur Vergrößerung des Düsenquerschnitts, weniger aber immer noch zur Gewährleistung der Führung der Fluidströmung ausreichend überdecken; Fig. 3 zeigt eine von mehreren Düsenklappen 25a, die in Gelenken 29 am Gehäuse 1 angelenkt und diesem gegenüber in Richtung des Doppelpfeiles 30 zu verschwenken sind.
Eine beispielsweise Verstellvorrichtung für den zweiten Teil 2b der Einlaßleitvorrichtung 2 ergibt sich aus Fig. 2. Es ist der erste Leitschaufelkranz 2a mit seinen festen Leitschaufeln zu erkennen, durch dessen hohle Schaufeln Leitungen 31 für die Zuführung von hydraulischem Arbeitsmittel zu Zuleitungen 32 und weiter zum symmetrisch zur Antriebslängsachse 9 angeordneten Verstellzylinder 33 für die Verstellung des im Verstell- zylinder 33 angeordneten Verstellkolbens 34 hindurchgeführt sind. Der Verstellkolben 34 wirkt entgegen der Wirkung einer vorgespannten Wickelfeder 35 auf eine Zahnstange 36, die wiederum mit einem Zahnrad 37 auf dem zapfenartigen Fuß 20 der jeweiligen Verstellschaufel des Schaufelkranzes 2b einwirkt, dessen Schaufeln um ihre Längsachsen 21 verstellt bzw. geschwenkt werden sollen. In die als Ansichten dargestellten Schaufeln der Schaufelkränze 2a, 2b sind deren beispielsweisen Querschnitte eingezeichnet. An. ihren oberen Enden sind die Leitschaufeln 10 des zweiten, einstellbaren Leitschaufelkranzes 2b mit Zapfen 2c im Gehäuse 1 gelagert (Schwenkbewegung gemäß Doppelpfeil 101). Der Strömungskanal 26 hat vorzugsweise einen zumindest im wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt, obwohl seine Ovalform nicht ausgeschlossen werden soll. Insbesondere kann der Einlauf zur Vermeidung des Ansaugens von Fremdkörpern durch Bildung eines Ansaugwirbels bei ansonsten kreisringförmigem Strömungskanal 26 abgeflacht bzw. oval ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Außerhalb des Rumpfes eines Wasserfahrzeugs angeordneter Antrieb für dieses Wasserfahrzeug zum Erreichen einer hohen Fahrgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch mindestens ein angetriebenes, vom Wasser durchströmtes Laufrad (4) in einem Gehäuse (19), dessen Austrittsquerschnitt (5) veränderbar ist, wobei vor dem gegebenenfalls ersten Laufrad ein verstellbarer Leitapparat (2) angeordnet ist.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektromotor (11, 12) das oder die Laufräder (4) antreibt, dessen Außenteil den Rotor (12) darstellt, an dem das oder die Laufräder befestigt sind, und dessen Innenteil den Stator (11) darstellt, der mit strömungsgünstig geformten Streben vor und hinter dem oder den Laufrädern am Düseninnen antel befestigt ist.
3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektromotor das oder die Laufräder (4) antreibt, dessen Innenteil den Rotor darstellt, der das Laufrad bzw. die Laufräder antreibt und dessen Außenteil den Stator darstellt, der mit strömungsgünstig geformten Streben am Düseninnenmantel befestigt ist.
4. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Elektromotoren (11, 12) Asynchronmotoren sind.
5. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Elektromotoren permanenterregte Synchronmotoren sind.
6. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben Teile des Leitapparates darstellen.
7. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben Teile eines Vor- leit- und eines eigentlichen Leitapparates darstellen.
8. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Kombination von zwei kontrarotierenden
Laufrädern.
9. Antrieb nach einem oder mehreren der ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Kombination von zwei gleichsinnig rotierenden Laufrädern mit einem dazwischen liegenden Leitrad.
10. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch verstellbare Laufschaufeln mindestens eines Laufrades.
11. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch verstellbare Leitschafeln mindestens eines Leitrades.
12. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln mehrteilig sind und die Leitschaufeinverstellung nur einen Teil der Leitschaufel verstellt.
13. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass di e Düse (1) um eine im wesentlichen vertikale Achse um 360° schwenkbar ist.
14. Antrieb nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch an der Düse oder am Schaft befestigte Flaps.
15. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch an der Düse (1) oder am Schaft (7) angeordnete Flaps, die um eine im wesentlichen vertikale Achse verstellbar sind.
16. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Einbringung eines gasförmigen Mediums, um eine Widerstands inimierung der Düse zu erreichen.
17. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch die Einbringung eines gasförmigen Mediums um den Schaft zum Erhalt einer Steuerwirkung.
18. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 gekennzeichnet durch Klappen zur Steuerung des veränderbaren Düsenaustrittquerschnittes.
19. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch Elastikelemente zur Steuerung des veränderbaren Düsenaustrittquerschnittes.
20. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch einen durch in ihrer Überlappung einstellbare Düsenabbschnϊtte veränderbaren Düsenaustritt- querschnitt.
21. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch einen durch axiale Verschiebung des
Innenteils veränderbaren Düseπaustrittquerchnitt.
22. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch einen Düsenquerschnitt, der vom Eintritt bis zum ersten Laufrad zunimmt.
23. Antrieb nach einem der Ansprüche -1 bi s 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (2) ein Leitrad mit einstellbarer Beschaufelung ist.
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