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Die Erfindung betrifft einen Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge, der
in einem strömungsgünstig ausgebildeten Schubrohr unter Wasser eingebaut ist, mit
Einrichtungen zur Aufteilung des eintretenden Wassers in einen durch eine Kreiselpumpe
beschleunigten Primärwasserstrom und mindestens einem durch den Primärwasserstrom
beschleunigten Sekundärwasserstrom.
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Es ist bekannt, daß bei allen gas- und flüssigkeitsbetriebenen Strahltriebwerken
der höchste Wirkungsgrad erzielt wird, wenn die Ausströmgeschwindigkeit des Strahlmediums
nur wenig größer ist als die Vorausgeschwindigkeit des angetriebenen Fahrzeuges.
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Bei einem Wasserstrahltriebwerk zum Antrieb von Wasserfahrzeugen,
deren Geschwindigkeitsbereiche gegenüber denen der Luftfahrzeuge stark begrenzt
sind, ist es deshalb von besonderer Wichtigkeit, daß die Ausströmgeschwindigkeit
des Wasserstrahls zur Erzielung einer optimalen Schubleistung in jeweils richtiger
und entsprechender Relation zur Fahrzeuggeschwindigkeit steht.
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Dieser Grundforderung wird von keinem der bisher bekanntgewordenen
Wasserstrahltriebwerken auch nur annähernd entsprochen, und zwar deshalb, weil in
diesen das Wasser durch konventionelle Kreiselpumpen zunächst auf hohen Druck gebracht
wird, der dann im Strahlrohr in Geschwindigkeit umgewandelt wird. Der Nachteil solcher
Anlagen besteht einerseits in der erwähnten zweifachen Zustandsänderung des Förderwassers
innerhalb der Pumpe und des Strahlrohres, womit naturgemäß ein starker -Wirkungsgradverlust
verbunden ist, und andererseits in den diesen Pumpen eigenen aufwendigen Dimensionen
und Gewichten, die dazu zwingen, sie innerhalb des Boots- oder Schiffskörpers zu
installieren. Dadurch werden in allen Fällen mehr oder weniger lange Rohrleitungen
für die Zu- und Fortleitung des Treibwassers vor und hinter der Pumpe erforderlich;
außerdem muß das Treibwasser vom Einlauf her zum Pumpenstutzen hin eine gewisse
Saughöhe überwinden, und es ist offensichtlich, daß aus diesen Nachteilen weitere
starke Wirkungsgradeinbußen resultieren, so daß der Gesamteffekt dieser Strahltriebwerke
kaum den Leistungsbereich herkömmlicher Schiffsschrauben erreicht, so daß es bisher
in den meisten Fällen fragwürdig erschien, an Stelle der konventionellen Schiffsschrauben
Strahlantriebe zu verwenden.
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Um diese Nachteile zu beheben, wird nach der Erfindung vorgeschlagen,
das Treibwasser unter Ausnutzung seiner jeweiligen Einströmenergie teils in einer
Kreiselpumpe direkt zu beschleunigen und es mit der -dadurch bewirkten Strömungsgeschwindigkeit
in das Strahlrohr fortzuleiten und teils durch das so beschleunigte Wasser injektorartig
weiter zubeschleunigen.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das strömungsgünstig
geformte, -unter Wasser angeordnete Schubrohr eine Einrichtung zur Aufteilung des
unter Staudruck zulaufenden Wasserstromes in einen zentrisch einlaufenden Sekundärwasserstrom
und einen durch eine ringförmige, konzentrische Öffnung dazu einlaufenden Primärwasserstrom,
der einer Kreiselpumpe zuläuft, besitzt, daß das Laufrad der Kreiselpumpe mit in
Umlaufrichtung vorwärts gebogenen Schaufeln ausgebildet und hinter den Schaufeln
ringgehäuseartig verlängert ist, so daß in diesem durch das aus den Laufschaufelkanälen
austretende Wasser ein in gleichem Richtungssinn umlaufender und ihm-vorauseilender.
Wasserring gebildet wird, aus-welchem eine innerhalb des Ringgehäuses mit dem feststehenden
Düsenstrahlrohr verbundene, mit einer leitschaufelartigen Beschaufelung ausgebildete
Austrittsleitvorrichtung die innere Schicht des umlaufenden Wasserringes kontinuierlich
abtrennt und nach innen und hinten ablenkt, und daß das in dem um die in Fahrtrichtung
liegenden Achse des Strahlantriebes koaxial zur Pumpe und somit in ihr angeordneten
Ringkanal durchströmende Außenwasser als Sekundärwasser durch das aus dem ringdüsenartigen
Ende der Austrittsleitvorrichtung mit wesentlich höherer Ausströmgeschwindigkeit
ausgestoßenen Primärwassers injektorartig beschleunigt wird. -Der Vorteil einer
solchen Anordnung besteht zunächst darin, daß nur ein Teil der Gesamttreibwassermenge
(Primärwasseranteil) die Pumpe durchläuft, wodurch sich naturgemäß wesentlich kleinere
Dimensionierungen der Beschaufelung und damit auch des Laufraddurchmessers ergeben;
außerdem bewirkt die Verzögerung des-mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus der
Austrittsleitvorrichtung in das Sekundärwasser diffundierende Primärwassers eine
zwangläufige Regelung zu der am Strahlrohrende sich jeweils einstellenden Ausströmgeschwindigkeit
der Gesamttreibwassermasse zur Erzielung einer optimalen Schubleistung: Bei einer
Lagerung des Pumpenläufers um den Sekundärwassereinlaufkänal .-Oder auch durch die
-weit-nach--der--Achse -hin--reichende-Ringöffnung der Laufradbeschaufelung ist
unter Umständen zur eine beschränkte Durchgangsbohrung'-für das Sekundärwasser möglich,
so daß die dadurch verminderte Sekundärwassermasse nicht ausreicht, die obenerwähnte
Geschwindigkeitsverzögerung der Gesamttreibwassermasse zu bewirken; deshalb wird
nach einem weiteren Erfindungsgedanken vorgeschlagen, eine zweite Sekundärwasser-Zulaufstufe
vorzusehen.
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Um jegliche Rohrleitung vor und hinter dem Strahltriebwerk zu vermeiden,
- wurde die Erfindung auf Grund der außerordentlich günstigen räumlichen Dimensionen,
die sich aus der erfindungsgemäßen Ausführungsform ergeben,- an einer Ausbildung
angewendet, bei der das Triebwerk in einem stromlinienförmigen, im freien Fahrwasser
stehenden Ummantelung angeordnet ist. Neben dem Vorteil der vorerwähnten verlustfreien
Wasserführung -ermögficht-eine solche Anordnung -in`bekannter Weise auch eine der
Fahrzeuglenkung dienende schwenkbare Lagerung des Triebwerkes, und schließlich ergibt
sich daraus auch -der beachtliche -Vorteil, die zweite Sekundärwasser-Zulaufstufe
-in Form eines die Ummantelung' durchdringenden -und- rundum verlaufenden Ringspaltes,
der in das Strahlrohr einmündet, auszuführen.
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Weitere Einzelheiten sind nachstehend an Hand der Zeichnungen, die
--eine beispielsweise Ausführungsform darstellen, näher erläutert, und es zeigt
F i g.1 einen Längsschnitt in vertikaler Ebene, F i g. 2 eine Draufsicht, F i g.
3 in einer Teilansicht die in die Ebene gezeichnete Beschaufelung der Kreiselpumpe,
F i g. 4 in einer Teilansicht einen Querschnitt durch den vorderen Teil der Kreiselpumpe
zur Verdeutlichung der Schaufelkanäle im Laufrad und ihre Einmündung in das Ringgehäuse
als Fangrinne,
F i. g. 5 einen Querschnitt durch das Triebwerk,
direkt vor der Austrittsleitvorrichtung geschnitten, zur Veranschaulichung der Schaufelkanalmündungen
in Frontansicht, F i g. 6 eine Darstellung des Geschwindigkeitsdreiecks mit der
Resultierenden »C« als »Absolutgeschwindigkeit« des Wasserringes, F i g. 7 eine
Ansicht der Austrittsleitvorrichtung im Längsverlauf der Umlenkkanäle und in deren
mittleren Höhe (Flutlinie) geschnitten, F i g. 8 einen Querschnitt in Schnittrichtung
E-E in F i g. 1 zur Veranschaulichung der Antriebsmöglichkeit mittels Zahnriementrieb.
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In F i g. 1 und 2 wird der stromlinienförmige Triebwerkskörper aus
dem Stützmantel 1, dem Kopfstück 2 und dem Endstück 3 dargestellt. Im Endstück 3
ist das nach hinten sich konisch verengende Düsenausstoßrohr 4 angeordnet, das sich
vorn mit seiner trichterartigen Stirnwand mittels der Stege 6 bei fester Verbindung
gegen das mit dem Stützmantel 1 fest verbundene Zwischenstück 8 abstützt.
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Mit 9 ist das Düsenstrahlrohr bezeichnet, das sich aus dem Einlaufrohr
a und dem Strahlrohr b zu-
sammensetzt, und beide Teile sind so ausgebildet,
daß sie, an ihrer Verbindungsstelle fest zusammengefügt, mit der mit einer leitschaufelartigen
Beschaufelung bestückten Austrittsleitvorrichtung 16 eine um die Mittellängsachse
des Strahlantriebs angeordnete feststehende Einheit bilden.
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Das Düsenstrahlrohr 9, das an seinem Auslauf mittels Flansches 10
und an seinem Einlauf mittels der Verschraubungsspitze 13 mit dem Stützmantel 1
bzw. dem Kopfstück 2 fest verbunden ist, ist gleichzeitig als tragende Welle ausgebildet,
auf der die Kreiselpumpe 20, die sich ihrerseits aus dem Förderteil e-c und dem
Antriebsteil g zusammensetzt, gelagert ist. Der Förderteil e-c der Kreiselpumpe
20 ist als halbaxiales Pumpenlaufrad ausgebildet, dessen Beschaufelung eine in Umlaufrichtung
vorwärts gebogene Form aufweist, wie sie in F i g. 3 in einer in Horizontalebene
abgewickelten Darstellung ausgeführt ist. In der Darstellung ist hierbei die Umlaufrichtung
mit einem ausgezogenen und die Wassereinströmrichtung mit einem gestrichelten Pfeil
gekennzeichnet.
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Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist der Mantel c des Förderteils e-c
ein Stück weit über die Schaufelausläufe hinaus in axialer Richtung ringgehäuseartig
verlängert und zu einer rundum verlaufenden Fangrinne 23 ausgebildet, die die feststehende
Austrittsleitvorrichtung 16 mit einigem radialem Abstand ringgehäuseartig umschließt.
In F i g. 4 ist in einer herausgezeichneten Einzeldarstellung, die den Förderteil
e-g im Schnitt, ohne die dahinter angeordnete Austrittsleitvorrichtung, zeigt, die
Einmündung der Laufschaufelkanäle 25 in die Fangrinne 23 verdeutlicht, und in F
i g. 5 ist, ebenfalls unter Weglassung der Austrittsleitvorrichtung 16, im Teilschnitt
1-I die Stirnansicht des Förderteils dargestellt.
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Wie aus den Darstellungen der F i g. 1, 4 und 5 ersichtlich, wird
das Wasser von den Leitschaufeln 24 aufgenommen und in Umlaufrichtung abgelenkt,
wobei es mit beschleunigter Ausströmgeschwindigkeit, die je nach Austrittswinkel
aus den Laufkanälen 25 maximal der Laufrad-Umfangsgeschwindigkeit entsprechen kann,
in die mitumlaufende Fangrinne 23 einströmt und in dieser einen ihr vorauseilenden
Wasserring bildet. Zur Verdeutlichung .der sich hierbei abspielenden Strömungsvorgänge
ist in F i g. 6 ein entsprechendes Geschwindigkeitsparallelogramm .dargestellt,
in dem die Umfangsgeschwindigkeit des Förderteils e-g durch den Pfeil U, die Relativ"
oder Austrittsgeschwindigkeit des Wassers mit W und die daraus resultierende Absolutgeschwindigkeit
mit dem Pfeil C bezeichnet sind.
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Die Absolutgeschwindigkeit C addiert sich hierbei aus der Umfangsgeschwindigkeit
der Fangrinne 23 und der Geschwindigkeit des Wasserringes, mit der dieser dem Fangrinnenumlauf
vorauseilt und in seiner kreisförmigen Bahn gegen die Beschaufelung der feststehenden
Austrittsleitvorrichtung 16 anströmt, wobei kontinuierlich die innere Ringschicht
des Wasserringes durch die Leitschaufeln 18 abgetrennt und durch die Leitkanäle
nach innen und hinten, wie aus F i g. 1 und 7 ersichtlich, als Hohlstrahl über das
Einlaufrohrende d in das Strahlrohr b
fortgeleitet wird, wobei es sich
injektorartig mit dem durch das Einlaufdüsenrohr a einströmenden Sekundärwasser
bei gleichzeitigem Strömungsgeschwindigkeitsausgleich vereinigt.
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Zur besseren Darlegung der erwähnten Abtrennung des Wassers aus der
inneren umlaufenden Ringschicht ist in F i g. 7 die Austrittsleitvorrichtung 16,
in axialer Richtung gesehen und in halber Schaufelhöhe geschnitten, dargestellt.
Hierbei wird die Umlaufrichtung des Wasserringes durch den Pfeil F markiert, und
es ist ersichtlich, daß die Leitschaufeln 18 der Wasserumlaufrichtung entgegen gekrümmt
sind.
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Wie insbesondere aus F i g. 1 ersichtlich, dient der mit dem Förderteil
e-c fest verbundene Antriebsteil g der Kreiselpumpe 20 zunächst der Lagerung
auf dem Düsenstrahlrohr 9, gleichzeitig ist er aber auch als Antriebsorgan ausgebildet,
wobei der Antrieb über ein Kegel- oder Stirnradgetriebe oder, wie in gezeichneten
Beispielen in F i g. 1, 2 und 8 dargestellt, mittels eines elastischen Zahnriemens
26 durch den zu diesem Zweck hohl ausgeführten Stützensockel f erfolgt.