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Doppeltwirkende Kolbenpumpe mit düsenförmig ausgebildetem Kolben für
hydraulische Strahlantriebe von Wasserfahrzeugen Es sind hydraulische Strahlantriebe
mit intermittierender Wirkungsweise bekannt, bei denen ein doppeltwirkender und
gegenläufiger Freikolbenmotor eine doppeltwirkende und gegenläufige Kolbenpumpe
antreibt, wobei die von der Kolbenpumpe angesaugte und beschleunigte Wassermasse
durch Düsen ausgestoßen wird und Vortriebskräfte erzeugt. Die zur Erreichung günstiger
Kennwerte für Leistungsgewicht und Leistungskonzentration erforderliche hohe Schnelläufigkeit
ist wegen der Kavitationsgefahr wesentlich abhängig von der Ausbildung der Pumpenkolben
und Einlaßorgane sowie deren Lage im Förderstrom. Bei der zur Zeit üblichen Pumpenbauart
sind die Einlaßventile im Zylinder angeordnet, wobei durch die Entfernung zwischen
Einlaßorgan und Pumpenkolbenfläche, die Druckspitzen im Zylinderraum und den schlechten
Ungleichförmikeitsgrad durch den fehlenden Massenausgleich der bewegten Triebwerksteile
und der Wassermassen das Auftreten von Beschleunigungsspitzen und damit von Kavitation
bei hoher Schnelläufigkeit begünstigt wird. In Weiterentwicklung der intermittierenden
hydraulischen Strahlantriebe wird in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die
für das Auftreten der Kavitation verantwortlichen Faktoren günstig züi gestalten,
und zwar durch Reduzierung der Entfernung zwischen Einlaßorgan und Pumpenkolbenwand
durch Anordnung der Einlaßorgane in der Kolbenwand, durch Reduzierung der Druckspitzen
im Zylinderraum und durch gegenläufige Anordnun- der oszillierenden Triebwerksteile
zur Erreichung eines vollkommenen Massenausgleichs. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer doppeltwirkenden Kolbenpumpe mit düsenförmig ausgebildetem Kolben
für einen hydraulischen Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge, die koaxial im Schubrohr
der Antriebsvorrichtuna, angeordnet ist, ein Kolben oder zwei gegenläufige Kolben
eine mit Öffnungen versehene zylindrische äußere Mantelfläche, eine mit der zugehörigen
Kolbenstange verbundene geschlossene innere Kolb-enmantelfläche und zwei düsenförmige
oder kegelmantelförmige Stirnwände besitzt bzw. besitzen, welch letztere mit Steuerklappen
versehen sind, die den Übertritt des Wassers aus der Staudruckzone des Schubrohres
mittels Kanälen in der zylindrischen Innenwand desselben und der Öffnungen in der
äußeren Kolbenmantelfläche über den Kolbenhohlraum in die Pumpenförderräume bewirken,
wobei zurDämpfung undRegelung derDruckspitzen in den Pumpenförderräumen und den
von diesen beaufschlagten Ausstoßdüsen sowie der Massenkräfte geeignete Vorrichtungen
vorgesehen sind. In den Zeichnungen sind Beispiele der Erfindung dargestellt. Die
Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis
des Erfindungsgedankens erforderlichen C crrundlegenden technischen Merkmale dargestellt.
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F i 1 zeigt die Anordnung von Steuerelementen an einem Düsenkolben
mit doppeltwirkender Arbeitsweise in zwei Druckzylinderräumen; F i g. 2 zeigt
die Anordnung von Steuerelementen an zwei doppeltwirkenden und gegenläufigen Düsenkolben
in drei Druckzylinderräumen; F i Zg. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Reduzierung
von Hub und Geschwindigkeit des Düsenkolbens auf hydraulischer Grundlage; Fig. 4
zeigt eine Getriebeuntersetzung zwischen einem Verbrennungskolben und einem gegenläufigen
Düsenkolben zur Reduzierung von Hub und Geschwindigkeit des Düsenkolbens und zur
Erreichung von optimalen Geschwindigkeiten des Antriebskolbens und des Düsenkolbens;
Fig. 5 zeigt die Anordnung eines Freikolbentriebwerks mit einem Antriebskolben
und einem gegenläufigen Düsenkolben; F i g. 6 zeigt die Anordnung eines Freikolbentriebwerks
mit einem durch gasförmige oder flüssige Medien, im geschlossenen Kreisprozeß angetriebenen
Antriebskolben und einem gegenläufigen Düsenkolben in achsparalleler Anordnung;
F i g. 7 zeigt die Anordnung eines Freikolbentriebwerks mit einem durch gasförinige
oder flüssige Medien im geschlossenen Kreisprozeß angetriebenen Antriebskolben und
einem gegenläufigen Düsenkolben in konzentrischer Anordnung.
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In F i g. 1 sind die Vorrichtungen für Stauwasser-Einlauforgane
1 und 2 in den Kegelflächen 3 und 4 emes doppeltwirkenden Düsenkolbens
5 eingebaut.
Das unter Staudruck stehende Wasser tritt durch
den Einlaufdiffusor6 und die Durchlaufschlitze7 des Zylinders 8 in den durch
die beiden Kegelflächen des Düsenkelbens gebildeten Zwischenraum 9 vor die
Steuerorgane 1 und 2 des Düsenkolbens, die nun nicht mehr ausschließlich
durch Druckdifferenzen der Strömung betätigt werden, sondern es wird durch die Kolbenbeschleunigung
in den Totpunktlagen der öffnungs- und Schließvorgang mechanisch eingeleitet, und
die kinetische Energie des Kolbens wird wirksam für den Steuervorgang ausgenutzt.
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Die beiden mit Einlauf- bzw. Durchströmorganen versehenen Kegelflächen
des Düsenkolbens sind durch ein zentrisches Düsenrohr 10 verbunden und durch
Radialrippen versteift. Die äußere Kolbenmantelfläche 11 ist mit Durchströmkanälen
für den Stauwassereintritt in den Zwischenraum 9 versehen. Das innere Düsenrohr
10 ist mittels Radialrippen 12 mit der Kolbenstange 13 verbunden.
Beim Kolbenhub nach rechts wird das in dem Zylinderraum 14 mit der vorderen kegeligen
Zylinderwand 15 eingelassene Wasser durch die feststehende Düse
16 ausgestoßen. Gleichzeitig tritt Stauwasser aus dem Zylinderraum
9 durch die Steuerorgane 1 in den
hinteren Zylinderraum
17 mit der kegeligen Zylinderwand 18 ein. Beim Kolbengang nach links
wird das in dem Zylinderraum 17 eingelassene Wasser durch die Kolbendüse
19 ausgestoßen, während gleichzeitig Wasser aus dem Zwischenraum
9 durch die Steuerorgance 2 in den Zylinderraum 14 eingelassen wird.
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Dabei findet keine Beschleunigung des Wassers selbst statt, sondern
die beim Ansaugvorgang offenen kegeligen Kolbenwände bewirken den Füllungsvorgang
ohne axiale Bewegung der im Zwischenraum befindlichen Wassersäule.
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In Fig. 2 sind zwei im Schubrohr3Y doppeltwirkend und gegenläufig
angeordnete Düsenkolben 21 und 22 auf beiden Kegelflächen23 und 24 bzw.
25 und 26 mit Steuervorrichtungen (Einlaß- bzw. Durchlaufklappen)
27, 28, 29, 30 versehen. Das Stauwasser tritt wieder durch einen Einlaufdiffusor
31 und Zylinderschlitze 32, 33 in die von den Kegelflächen der Düsenkolben
gebildeten Zwischenräume 34 und 35 vor die Steuerorgane 27 bis
30 der Düsenkolben 21 und 22. Bei der Kolbenbewegung erfolgt die Einströmung
des Stauwassers durch die Steuerorgane abwechselnd in den mittleren Zylinderraum
36 und in die beiden äußeren Zylinderräume 37 und 38. Die Strahlbildung
erfolgt in den Düsen 39 bei Kolbenbewegung in die innere Totpunktlage und
in den Düsen 40 und 41 bei Kolbenbewegung in die äußere Totpunktlage. Die Düsenkolben
sind in gleicher Weise wie in F i g. 1 ausgeführt mit innerem Düsenrohr 42
bzw. 43 und äußerer Mantelfläche 44 bzw. 45, die mit Durchströmkanälen zum Eintritt
des Stauwassers in die Kolbenzwischenräume 34 und 35 versehen sind. Die Kolben
21 und 22 sind mit ihren Düsenrohren 42 und 43 mittels Rippen 46 und 47 mit den
gegenläufigen Kolbenstangen 48 und 49 verbunden, wobei die Kolbenstange 48 als Hohlstange
ausgeführt ist. Beim Kolbenhub in der mittleren Totpunktlage wird das Wasser aus
dem mittleren Zylinderrnum 36 durch die Kolbendüse 39 ausgestoßen,
wobei gleichzeitig Wasser aus den Kolbenzwischenräumen 34 und 35 durch die
Steuerorgane 27 und 30
in die äußeren Zylinderräume 37 und
38, die von den kegeligen Stirnwänden 50 und 51 begrenzt werden,
gefördert wird. Beim Kolbenhub in die äußeren Totpunktlagen wird das Wasser aus
den Zylinderräumen 37 und 38 durch die Düsen 40 und 41 ausgestoßen,
wobei gleichzeitig Wasser aus den Kolbenzwischenräumen 34 und 35 durch die
Steuerorgane 28 und 29 in den mittleren Zylinderraum 36
gefördert
wird.
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Die Anordnung der Steuerorgane im bewegten Düsenkolben hat den Vorteil,
daß der Füllungsvorgang unmittelbar mit der Kolbenbeschleunigung in den Totpunktlagen
durch das mechanische Öffnen der Steuerorgane einsetzt, was sich für die Erreichung
hoher Hubzahlen günstig auswirkt.
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In F i g. 3 ist die Hub- bzw. Geschwindigkeitsreduzierung der
Pumpenkolben auf hydraulische Weise gelöst. Ein auf der Kolbenstange 52 angeordneter
hydraulischer Steuerkolben 53 teilt einen geschlossenen Steuerzylinder 54
in zwei Arbeitsräume 55 und 56, die an der Kolbenstange
57, 58 Dichtungen besitzen. Der Steuerzylinder ist mittels Rippen
59 mit dem Düsenkolben 60 verbunden. Im Steuerkolben angeordnete Bohrungen
61 und 62 oder ein Ringspalt 63 zwischen Kolben- und Zylinderwand
gestattet ein Überströmen flüssiger Medien von einem Arbeitsraum zum anderen. Die
Bewegung der Kolbenstange wird also über ein flüssiges Medium mit veränderlicher
Masse und mit einer Weg-Zeit-Verzögerung auf den Steuerzylinder und damit auf den
Düsenkolben übertragen, woraus eine Reduzierung des Hubes und damit der Kolbengeschwindigkeit
des Düsenkolbens resultiert. Durch eine entsprechende Auslegung der Steuerkurve
kann der Verlauf der Strahlgeschwindigkeit in der Düse über dem Hub auf einen angenähert
konstanten Wert unter Vermeidung der Geschwindigkeitsspitzen reguliert werden.
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In F i g. 4 ist bei einem an sich bekannten hydrau-Eschen Freikolben-Strahltriebwerk
mit Düsenkolben, zwischen Verbrennungskolben 64 und Düsenkolben 65 ein Getriebe
geschaltet, bestehend aus der eine Verzahnung tragenden Kolbenstange 66 des
Verbrennungskolbens 64, Zahnrad 67, Zahnrad 68 und der eine Verzahnung
tragende Kolbenstange 69 des Düsenkolbens. Das Getriebe hat zunächst die
Funktion eines an sich bekannten Gegenlaufmechanismus und synchronisiert die Gegenläufigkeit
und damit den Massenausgleich von Verbrennungskolben und Düsenkolben. Das Getriebe
kann außerdem mit einer Unter- oder übersetzung der Kolbengeschwindigkeiten durch
Anordnung verschiedener Zahnraddurchmesser auf der Antriebs- und Abtriebsseite arbeiten,
wodurch für beide Kolben optimale Kolbengeschwindigkeiten erreicht werden können.
Der Rückhub des Kolbensystems wird durch eine Rückholfeder bewirkt.
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In F i g. 5 treibt ein Verbrennungskolben 71 im Zylinder
72 über eine eine Verzahnung tragende Kolbenstange 73 und ein fest
gelagertes Zahnrad 74 eine zur Verbrennungskolbenstange parallele gegenläufige,
ebenfalls eine Verzahnung tragende Kolbenstange 75 und den Düsenkolben
76 an, der in an sich bekannter Weise im Zylinder 77 doppeltwirkend
arbeitet. Verbrennungskolben und Düsenkolben arbeiten gegenläufig zueinander, womit
das Gesamttriebwerk 78 vollkommenen Massenausgleich besitzt. Der Rückhub
des Kolbensystems wird durch eine Rückholfeder 79 oder einen entsprechenden
Mechanismus sichergestellt. Die Hubzahl des Kolbensystems wird durch die Antriebs-
und Massenkräfte,
bestimmt. Durch Ausbildung des Zahnrades mit zwei
im Teilkreis verschiedenen Verzahnungen wird eine Untersetzung zum Düsenkolben erreicht,
der mit kleinerer Kolbengeschwindigkeit arbeitet Der Wassereinlauf ist mit
80, die Durchströmschlitze im Zylinder sind mit 81 und die Durchströmschlitze
im Kolben mit 82 bezeichnet.
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In F i g. 6 treibt ein im geschlossenen Kreisprozeß mit gasförmigen
oder flüssigen Medien doppeltwirkend arbeitender und im Zylinder 83 angeordneter
Antriebskolben 84 durch Beaufschlagung auf beiden Kolbenseiten 85 und
86 in den Zylinderräumen 87
und 88 über eine mit einer Verzahnung
versehenen Kolbenstange 89 und ein fest gelagertes Zahnrad 90
eine
zur Kolbenstange des Antriebskolbens parallele gegenläufige, ebenfalls mit einer
Verzahnung versehene Kolbenstange 91 und den mit ihr verbundenen Düsenkolben
92 an. Durch entsprechende Ausbildung des Zahnrades kann auch hier der Düsenkolben
mit reduzierter Kolbengeschwindigkeit arbeiten. Durch die Druckleitung
93 wird abwechselnd das Arbeitsmedium unter Druck im Arbeitsspiel vor und
hinter den Antriebskolben gesteuert, wobei gleichzeitig nach erfolgtem Arbeitshub
das Arbeitsmedium mit reduziertem Druck durch die Rückleitung 94 zum Druckgenerator
des Kreisprozesses (Kompressor, Treibgasgenerator, Druckölpumpe oder Dampferzeuger)
zurückgefördert wird.
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In F i g. 7 treibt nach dem gleichen Arbeitsverfahren wie in
F i g. 6 ein Antriebskolben 96 im geschlossenen Kreisprozeß über Verzalmungen
97 und 98 am Kolbenkörper und Zahnräder 99 und 100 einer
den Antriebszylinder koaxial umgebende und zu dessen Kolben gegenläufige Zylinderbüchse
101 mit inneren Verzahnungen 102 und 103 und einen mit ihr verbundenen
Düsenkolben 104 an, der in bekannter Weise im Pumpenzylinder 105 doppeltwirkend
angeordnet ist. Antriebskolben und Düsenkolben sind somit gegenläufig zueinander
angeordnet, wodurch der Massenausgleich sichergestellt ist.
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Die spezifischen Kennwerte des Düsenkolben-Strahlantriebs mit den
verschiedenen Ausführungen des Antriebs sind außerordentlich günstig, wozu die folgenden
Faktoren ausschlaggebend beitragen: a) Hoher spezifischer Schuh pro Masseneinheit
durch das hohe spezifische Gewicht des beschleunigten Wassers; b) Hohe Hubzahl
des Düsenkolbens durch den Staueinfluß; c) Einstufige Druckhöhe im Pumpenzylinder
der Düsenkolbenpumpe.
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Mit einer der Fahrgeschwindigkeit angepaßten Auslegung erreicht der
Düsenkolben-Strahlantrieb bei allen Leistungen und Antriebsa#beiten, hohe Wirkungsgrade
und günstigste Kennwerte für Leistungskonzentration, Leistungsgewicht und Bauvolumen.
Im Gegensatz zum Propeller, wo größere Leistungen nur durch Vergrößerung des Propellerdurchmessers
bei Einhaltung der spezifischen Drehzahl untergebracht bzw. übertragen werden können,
da die Grenzen der Schnelläufigkeit wegen der Kavitation schnell erreicht sind,
kann der Düsenkolben-Strahlerzeuger mit größeren Förderhöhen und höheren Drehzahlen
arbeiten, ohne daß der Pumpenwirkungsgrad abfällt. Die Leistungsgrenze des Düsenkolben-Strahlerzeugers
ist ausschließlich durch die Antriebsleistung gegeben. Ferner ergibt sich ein grundsätzlicher
Unterschied zum Propeller im Standbetrieb, wo das Düsenkolben-Strahltriebwerk mit
voller Maschinenleistung und Schuberzeugung arbeiten kann, während das beim Propeller
bekanntlich nicht möglich ist. An dieser Tatsache ändern auch nichts die verschiedenen
Lösungsvorschläge für einen hydraulischen Strahlantrieb auf der Basis der ummantelten
Kanalschraube (Propellerpumpe). Bei der Anordnung einer Propellerpumpe in einem
Düsenkanal ist der Propellerwirkungsgrad wegen des beschränkten Düsenkanaldurchmessers
verhältnismäßig niedrig, und es wird ein erheblicher Teil der Antriebsleistung in
Reibung umgesetzt. Außerdem können die beim Strahlantrieb erforderlichen hohen Strahlgeschwindigkeiten
und Förderhöhen von Propellerpumpen nicht erreicht werden, da einstufige Propellerpumpen
nur eine Förderhöhe von maximal 10 m WS mit gutem Wirkungsrad erreichen
und bei größeren Förderhöhen mehrstufig ausgeführt werden müssen, wodurch der Wirkungsgrad
sinkt. Dagegen sind beim Düsenkolben große Förderhöhen ohne technische Schwierigkeiten
realisierbar, so daß die erfIndungsgemäße Pumpe auch für den Bereich der höheren
Fahrgeschwindikeiten ausgelegt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung stellt auf Grund der neuen konstruktiven
Vorschläge mit den verschiedenen Antriebsmöglichkeiten für hydraulische Strahlantriebe
für Wasserfahrzeuge eine besonders vorteilhafte Lösung dar.