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Die Erfindung bezieht sich auf einen relativ kurzzeitig wirksamen
Zusatzantrieb für mit einem Marschtriebwerk ausgerüstete über- und Unterwasserfahrzeuge,
der einen durch luftsauerstoffunabhängigen Treibstoff gespeisten Gaserzeuger aufweist,
dessen Treibgase eine ein- oder mehrstufige Nutzleistungsturbine beaufschlagen,
die eine oder mehrere Schiffsschrauben des Fahrzeugs antreibt.
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Nach der deutschen Patentschrift 1043 721 ist ein Rückstoßtriebwerk
für Flugzeuge bekannt, das einen mit Brennstoff und Sauerstoff gespeisten Gasgenerator
aufweist, dessen Treibgase eine Nutzleistungsturbine beaufschlagen, die -über eine
Welle einen Luftverdichter antreibt, in dessen verdichtete Luft in einer nachfolgenden
Brennkammer Brennstoff eingespritzt wird. Die erzeugten heißen Treibgase durchströmen
eine am Ende des Triebwerks angeordnete Schubdüse zum Vortrieb des Flugzeugs. Weitere
Versionen des gleichen Triebwerksprinzips gehen aus Veröffentlichungen der Fachzeitschriften
»The Aeroplane«, 15. März 1957, S. 378 bis 381, und »Flight
International«, 29. Oktober 1964, S. 752 bis 754, hervor. Hierbei
ist der Luftverdichter am vorderen Ende des Triebwerks angeordnet, wiederum angetrieben
von einer Nutzleistungsturbine, die von den Treibgasen einer Raketenbrennkammer
beaufschlagt wird.
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Weiter sind gemäß der deutschen Auslegeschrift 1203 635 Reaktionsantriebe
für Wasserfahrzeuge bekannt, bestehend aus einem an beiden Enden offenen Schubrohr,
in dem durch Propellerpumpen eine Wassersäule beschleunigt wird, wobei die Pumpen
über ein Kegelradgetriebe und eine Antriebswelle von einem Kraftmaschinenaggregat
beliebiger Bauart, z. B. einem turbo-elektrischen Aggregat, angetrieben werden.
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Nach der USA.-Patentschrift 3 134 353 ist fernet ein
Antriebssystem für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere Torpedos, bekannt, bei dem
die aus katalytisch zersetztem Wasserstoffperoxyd gewonnenen Treibgase eine Nutzleistungsturbine
beaufschlagen, die eine axiale Turbopumpe antreibt. Diese saugt Wasser aus einem
das Unterwasserfahrzeug umgebenden Ringkanal an und fördert es unter Erzeugung von
Vortrieb über eine Zentralkammer durch eine Venturidüse (Wasserschubdüse) nach außen
in das Meer. Um während der Unterwasserfahrt den Austritt von Gasblasen, die sich
an der Meeresoberfläche durch verräterische Spuren abzeichnen würden, zu vermeiden,
wird das die Nutzleistungsturbine verlassende Wasserdampf-Sauerstoff-Gemisch in
einem Wärineaustauscher gekühlt und unter gleichzeitiger Beseitigung des gasförmigen
Sauerstoffs durch Verbrennung oder Absorption dem in die Düse eintretenden Wasser
zugemischt. Dem in Rede stehenden Antriebssystem, das zum einmaligen Antrieb, insbesondere
für Torpedos, bestimmt ist, haften folgende Nachteile an: Das Treibmittel Wasserstoffperoxyd
weist nur einen auf seine Dichte bezogenen mittleren Energieinhalt auf. Ferner erfordert
die Beseitigung des Abfallproduktes »gasförmiger Sauerstoff« eine zusätzliche Einrichtung.
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Schließlich ist nach der deutschen Patentschrift 541666 ein
Torpedoantrieb bekannt, der im wesentlichen aus einer elektrolytischen Meerwasserzersetzungsanlage,
einem Wasserstoffgas- und Sauerstoffgasbehälter und aus einer Schiffsschrauben zum
Vortrieb des Torpedos antreibenden Brennkraftmaschine besteht, die mit Knallgas
arbeitet. Zur Erzeugung des Knallgases wird die Meerwasserzersetzungsanlage des
Torpedos zu ihrer Inbetriebsetzung an das Bordnetz des Schiffes angeschlossen. Die
Auspuffgase der Knallgasmaschine werden über ein Auspuffrohr bis vor die Schiffsschrauben
des Torpedos geführt und dort in das Meerwasser eingeleitet, was sich ungünstig
auf den Wirkungsgrad der Schiffsschrauben auswirkt. Außerdem besteht hierbei die
Gefahr, daß durch noch nicht kondensierte Auspuffgase verräterische Blasenspuren
an der Oberfläche des Meeres sichtbar werden. Die vorbeschriebene Antriebsanlage
als solche stellt, nachdem der Torpedo das Schiff verlassen hat und damit jede weitere
Stromzufuhr vom Schiff her zur Erzeugung von Knallgas abgebrochen ist, keinen aus
sich heraus regenerierfähigen Antriebskreis dar und ist daher nur für eine einmalige
Fahrt bzw. einmaligen Einsatz für den Torpedo geeignet. Außerdem arbeitet die bekannte
Anlage, da sie mit Knallgas betrieben wird, für heutige Begriffe leistungsschwach.
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Es ist Aufgabe der Erflndung, im Rahmen der eingangs angeführten Gesamtantriebsanlage
auf der Basis eines Marschtriebwerks einen relativ kurzzeitig wirksamen Zusatzantrieb
für über- und Unterwasserfahrzeuge zu schaffen, der, bezogen auf Raum und Gewicht,
eine hohe Leistungsdichte aufweist und der so ausgerüstet ist, daß in Verbindung
mit dem Marschtriebwerk beliebig viele Kurzzeiteinsätze gefahren werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung der relativ kurzzeitig
wirksame Zusatzantrieb gekennzeichnet durch den Betrieb seines Gaserzeugers mit
durch eine vom Marschtriebwerk angetriebene, an sich bekannte bordeigene elektrolytische
Meerwasserzerlegungsanlage sowie durch eine daran angeschlossene Gasverflüssigungsanlage
gewonnenem flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff und durch die an sich bekannte Einspritzung
von durch eine bordeigene, ebenfalls bekannte Meerwasserentsalzungsanlage gewonnenem
Wasser in die heißen Treibgase vor der Nutzleistungsturbine.
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Es sei noch eigens darauf hingewiesen, daß das Einspritzen von Wasser
in die Brennkammer von Fluggasturbinentriebwerken vor der Turbine zur Senkung der
Treibgastemperatur und zur Schubverinehrung bei gleichzeitiger Reduzierung der mittleren
Ausströmgeschwindigkeit gemäß der deutschen Auslegeschrift 1131467 grundsätzlich
bekannt ist und für dieses Merkmal kein selbständiger Schutz beansprucht wird.
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Durch die Erfindung wird ein äußerst leistungsstarker, einen verhältnismäßig
geringen Platzbedarf beanspruchender Zusatzantrieb für über- und Unterwasserfahrzeuge
geschaffen. Zusatzantriebe werden in der Regel in über- und Unterwasserfahrzeugen
neben einem Marschantrieb installiert, der während längerer Fahrten mit Reisegeschwindigkeit
bzw. auf dem Marsch ins Operationsgebiet den Antrieb übernimmt, während das Zusatztriebwerk
beim Angriff oder in Gefahrensituationen zusätzlich zum Marschtriebwerk arbeitet
oder auch allein das Fahrzeug antreibt. Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen
Zusatztriebwerks in Unterwasserfahrzeugen, wie Unterseebooten, neben einem vorhandenen
Marschtriebwerk, besteht der besondere Vorteil, daß während der Marschfahrten mit
Hilfe der elektrolytischen Meerwasserzerlegungsanlage und der Gasverflüssigungsanlage
die beiden für das Zusatztriebwerk verwendeten
flüssigen Treibstoffkomponenten
»Wasserstoff und Sauerstoff« mit bordeigenen Mitteln erzeugt und deren Vorräte ergänzt
werden können. Auch das Mitführen einer Meerwasserentsalzungsanlage zur Gewinnung
von Einspritzflüssigkeit in die Brennkammer befreit das Fahrzeug vom Mitführen eines
großen Wasservorrates für die benötigten Einspritzmengen, so daß das Fahrzeug trotz
der Ausrüstung mit einem leistungsstarken Zusatzantrieb bis auf den speziellen Treibstoff
für das Marschtriebwerk von jeder Betankung unabhängig ist. Bei der Verwendung des
erfindungsgemäßen Zusatzantriebes neben einem Marschtriebwerk, z. B. in Tragflügelbooten
zur Leistungssteigerung beim Start oder in Gefahrensituationeu, ist durch die Erfindung
der Vorteil einer merklichen Gewichtsersparnis dadurch gegeben, weil vergleichsweise
Wasserstoffperoxyd, das als Treibstoff für den weiter vorn beschriebenen bekannten
Antrieb benutzt wird, bei gleichem Lagervolumen und gleicher Leistungsausbeute etwa
dreimal soviel wiegt wie flüssiger Wasserstoff und Sauerstoff. Der Vorteil dei Treibstoffkombination
Sauerstoff-Wasserstoff in flüssigem Zustand liegt zunächst in dem auf ihre Dichte
bezogen sehr hohen Energiegehalt. Außerdem ergeben ihre Verbrennungsprodukte, was
für U-Boote besonders wichtig ist, nach ihrer Abkühlung nur Wasser, das dem umgebenden
Meerwasser zugemischt werden kann, ohne daß sich verräterische Spuren ergeben, was
einen im Ernstfall oft entscheidenden Vorteil darstellt. Die bei der hochenergetischen
Treibstoffkombination flüssiger Wasserstoff-Sauerstoff erforderliche Abkühlung von
der stöchiometrischen Brenntemperatur von mehr als 3000' Kelvin auf für die
Nutzleistungsturbine verträgliche Temperaturen wird in einfacher Weise durch die
vorgenommene Wassereinspritzung in die Brennkammer bzw. Hauptbrennkammer erreicht,
wodurch gleichzeitig der Massedurchsatz durch die Nutzleistungsturbine auf ein Mehrfaches
der durch die verwendeten Treibmittel allein erzeugten Menge erhöht wird. Durch
die im Rahmen der Erfindung gegebene Möglichkeit, das zur Wassereinspritzung benötigte
Wasser aus dem umgebenden Meer zu entnehmen, werden außerdem sonst erforderliche
Wasservorratsbehälter eingespart.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist hinter der Nutzleistungsturbine
ein Kühler vorgesehen, der im Wärmeaustausch einerseits vom Seewasser und andererseits
von dem die Nutzleistungsturbine verlassenden, noch heißen Abgas durchströmt wird,
dessen Temperatur im Kühler bis unter den oder nahe bis zum Kondensationspunkt gesenkt
wird. Die Abgase werden dann in Form von Kondensflüssigkeit oder zumindest in Dampfforin
der Schubströmung nach den Schiffsschrauben beigemischt. Für diese Maßnahme wird
nur im Rahmen des Hauptanspruches Schutz begehrt.
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Eine Verwendung des erflndungsgemäßen leistungsstarken Zusatzantriebs
besteht noch in seinem Einbau in autonomen Tauchfahrzeugen mit senkrecht angeordneten
Schubrohren zum Heben gesunkener Schiffe in schwierigen Fällen oder in der Ausrüstung
von Schleppern zum Freiziehen aufgelaufener bzw. gestrandeter Schiffe.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßenZusatzantriebes
im Schema gezeigt. Der Zusatzantrieb besteht im wesentlichen aus einem Gaserzeuger
1 mit Treibmittelvorratsbehältern 2 für Sauerstoff und 3 für Wasserstoff
und mit Treibmittelpumpen 4 und 5, aus einer dem Gasgenerator 1 nachgeschalteten
mehrstufigen Nutzleistungsturbine 6, aus einer Nutzleistungsantriebsübertragung
7 und aus einem mehrere Schiffsschrauben 8 a und ein Schubrohr
8 b umfassenden Schiffsantrieb 8. Als Gaserzeuger 1 ist der
Gaserzeuger eines Raketenhauptstromtriebwerkes vorgesehen, der aus einer Vorbrennkammer
9, einer Hilfsturbine 10
und einer Hauptbrennkammer 11 besteht.
In die Vorbrennkammer 9 wird der gesamte, von der Pumpe 5
geförderte
Wasserstoff eingebracht und außerdem nur ein Teil des Sauerstoffes eingespritzt.
Die Treibgase der Vorbrennkammer beaufschlagen die Hilfsturbine 10, die zum
Antrieb der Förderpumpen 4 und 5 und anderer, nicht dargestellter Hilfsgeräte
dient. In die der Hilfsturbine 10 nachfolgenden Hauptbrennkammer
11 wird die zweite Teilmenge Sauerstoff eingespritzt und außerdem, um die
Temperatur der sehr heißen Treibgase auf ein für die Nutzleistungsturbine
6 zulässiges Maß zu senken, wobei gleichzeitig das Durchsatzvolumen erhöht
wird, Wasser eingespritzt, wie durch den Pfeil 12 angedeutet ist. Zu diesem Zweck
wird dem umgebenden Meer Wasser entnommen, in einer Entsalzungsanlage
13 insbesondere von Salz und sonstigen unerwünschten chemischen Stoffen und
Verunreinigungen befreit bzw. gesäubert und dann mit Hilfe einer Pumpe 14 in die
Hauptbrennkammer 11 gefördert. Die Treibgase derselben beaufschlagen die
Nutzleistungsturbine 6, die über eine Welle 15, auf der die Pumpe
14 angeordnet ist, einen Kegelradtrieb 16, eine durch eine Kupplung
17 trennbare Welle 18 und über einen Kegelradtrieb 19 eine
Welle 20 antreibt, auf der die Schiffsschrauben 8 a des Schiffsantriebs
8 angeordnet sind. Auf der Welle 18 ist nach der Kupplung
17 ein Kegelrad 21 vorgesehen, das mit einem Kegelrad 22 im Eingriff steht,
welches am Ende einer durch eine Kupplung 23 trennbaren Welle 24 angeordnet
ist, die zur Antriebsübertragung eines nicht dargestellten Marschtriebwerkes gehört.
Auf der Welle 24 ist vor der Trennkupplung 23 ein Kegelrad 25 vorgesehen,
das mit einem Kegelrad 26 im Eingriff steht, welches einem Antriebsstrang
27 zugeordnet ist, in dem eine Trennkupplung 28 eingebaut ist. Durch
den Antriebsstrang 27 wird ein elektrischer Generator 29
a angetrieben, der Gleichstrom erzeugt und Bestandteil einer elektrolytischen
Meerwasserzerlegungsanlage 29
ist, durch die Wasserstoff und Sauerstoff aus
über eine Leitung 30 zugeführtem Meerwasser gewonnen wird. Der noch gasförmige
Sauerstoff und Wasserstoff wird in je einer Gasverflüssigungsanlage
31 bzw. 32
komprimiert und verflüssigt und dann den Vorratsbehältern
2 und 3 zugeführt. Die Abgase der Nutzleistungsturbine 6 strömen über
eine Abgasleitung 33
zu einem Kühler 34, der andererseits von Meerwasser beaufschlagt
wird. Der Kühler 34 hat die Aufgabe, die Temperatur der Abgase bis nahe an ihren
bzw. unter den Kondensationspunkt zu senken. Das kondensierte Abgas wird dann in
flüssiger Form über eine Kondensatleitung 33 a innerhalb des Schubrohres
8 b der Schubströmung hinter den Schiffsschrauben 8 a beigemischt,
so daß in keinem Fall verräterische Gasblasenspuren an der Meeresoberfläche auftreten.