DE3732186A1 - Propulsionsanordnung fuer gleitboote - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Propulsionsanordnung für Gleit­ boote, insbesondere seegehende Gleitboote mit Kielungswinkel und Doppelpropulsionsanlage.

Zum Antrieb schneller Boote, die in der Überzahl Gleitboot­ rümpfe haben, werden in erster Linie nicht kavitierende Propel­ ler benutzt. Dabei haben sich die Anlagen mit schräger Welle, Wellenböcken und wassergeschmierten Lagern durchgesetzt. Der Propeller muß einen relativ großen Abstand zur Außenhaut des Bootes haben, um Schwingungen zu vermeiden, wodurch der Propel­ lerwellenwinkel erhöht wird. Die resultierende Schräganströ­ mung des Propellers führt zu Propellerschaftsschwingungen, starker Geräuschbildung und frühen Kavitationserscheinungen. Der Propellerschaftwinkel erreicht oft bis zu 14°, um eine An­ triebsverbindung zu einem vorgesetzten Motor mit direkter Welle zu ermöglichen, während an sich 10° nicht überschritten werden sollten.

Bei sehr hohen Geschwindigkeiten kavitieren die Propeller mit Schubabfall und Drehzahlsteigerung und sehr hohem Wirkungsgradabfall und Materialzerstörung. Die Kavitation setzt dem Propeller eine Geschwindigkeitsgrenze, die etwa bei 40 bis 50 Knoten liegt. Für höhere Geschwindigkeiten werden sogenannte überkavitierende Propeller benutzt, die gute Wirkungsgrade bei sehr hohen Geschwindigkeiten erreichen können. Diese Propeller haben aber im Langsamfahrbereich (besonders bei Anfahr-Widerstandsgeschwindigkeit) sehr nie­ drige Wirkungsgrade und können für schwerere Boote bei der für Hochgeschwindigkeit nötigen Motorleistung nicht den nötigen Schub zum Anfahren aufbringen, mit der Folge, daß diese Fahrzeuge auf andere Weise sozusagen angeschoben werden müssen. Ventilierte und halbgetauchte Propeller zeigen ähnli­ che Unzulänglichkeiten und eignen sich deshalb nur zur Anwen­ dung in Sportbooten.

Zum Antrieb von Gleitbooten finden zunehmend Wasserstrahl­ antriebe Anwendung. Damit können hohe Geschwindigkeiten ge­ fahren werden. Die erreichbaren Wirkungsgrade, besonders bei Hochgeschwindigkeit, sind denen von Propelleranlagen ähnlich. Beim Anfahren und Langsamfahren sind die Wirkungsgrade jedoch viel niedriger als beim Propeller, was für die Gleitboote mit Anfahr-Widerstand besonders nachteilig ist. Außerdem haben die handelsüblichen Wasserstrahlantriebe noch weitere Nachteile, die bis zur Funktionsunfähigkeit führen können. Gleitboote für Hochseebetrieb werden mit Spritzleisten unter der Gleitfläche ausgerüstet, um das Seeverhalten bei Geschwindigkeit zu verbes­ sern. Dadurch werden beim Fahren im Seegang größere Luftmengen entlang der Gleitfläche transportiert, die in den Wasserstrahl­ antrieb eingesaugt werden und zum Abriß des Zustromes führen und den Impeller außer Aktion setzen, den Motor hochdrehen lassen und so zu unregelmäßigem Arbeiten des Antriebs und Schäden in der Gesamtantriebsanlage durch Leistungsabnah­ meschwankungen führen. Die meisten Wasserstrahlantriebe sind deshalb in kleinen, schnellen Hochseebooten nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Propulsions­ anordnung für Gleitbootantriebe zu schaffen, mit der eine Opti­ mierung des Zusammenwirkens von Bootskörper und Propulsionsor­ gan erzielt und somit höhere Propulsionswirkungsgrade erreicht werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß die Gleitfläche im Hinterschiffs-Bereich wenigstens einen nach unten offenen Tunnel aufweist, in dem ein Propulsionsor­ gan unter dem Ende der Gleitfläche teilweise versenkt angeord­ net ist, daß der Tunnelquerschnitt am Ort des Propulsionsor­ gans der Propulsionsorgan-Querschnittsfläche mit kleinem Spiel­ raum angenähert und etwa halbkreisförmig ausgebildet ist und daß der Tunnel in die Gleitfläche eingelassen ist, angenähert in Stromlinienrichtung liegt und sich bei etwa gleichbleiben­ der Breite nach vorn hin im Querschnitt verjüngt.

Bei dieser Propulsionsanordnung nach der Erfindung wird das Propulsionsorgan, beispielsweise ein Propeller oder ein Impeller einer Axialpumpe, in einem Tunnel am Bootsende ange­ ordnet. Dieser Tunnel ist in den Schiffsboden eingelassen, hat nach vorn reduzierte Querschnittsflächen und hinten eine dem Propulsionsorgan angepaßte Form eines Halbrohres, in dem bei­ spielsweise ein Propeller etwa zur Hälfte eingelassen ist. Der Wasserzufuhrkanal des Tunnels erstreckt sich über eine Länge von etwa 2 bis 5 Propellerdurchmessern vor dem Propeller und gewinnt in seiner Strömungslaufrichtung Querschnittsfläche, bis er an seinem Ende den halben Propeller aufnehmen kann. Da­ bei wird das Wasser in dem Tunnel so geführt, daß keine loka­ len Unterdruckgebiete bei der Durchströmung entstehen, die zu unerwünschten Vertrimmungen des Bootes führen könnten. Das wird durch die besondere Formgebung des Tunnels erreicht, der in Stromlinienrichtung liegt, und der den Druckanstieg unter der Gleitfläche möglichst wenig stört und so am Ort des Propul­ sionsorgans ein Gebiet erhöhten Druckes beibehält. Dabei er­ fährt das Propellerzustromwasser keine oder nur minimale Umlen­ kungen, um die Strömungsverluste minimal zu halten. Die zusätz­ lichen Wasserkontaktflächen, die die Tunnelbildung mit sich bringt, werden minimal gehalten, um Reibungsverluste zu mini­ mieren.

Diese neue Anordnung erlaubt eine Optimierung des Zusammen­ wirkens von Bootskörper und Propulsionsorgan in weitaus bes­ serer Weise als bei den üblichen Propeller- und Wasserstrahl­ antrieben. Dadurch werden höhere Propulsionswirkungsgrade erreicht. Weiterhin wird eine einfachere und solidere Bauweise mit einem geringeren Propellerwellenwinkel ermöglicht, die Schräglagen für die Propellerwelle von unter 6° erlaubt, wo­ durch viele Nachteile des Propellerantriebs ausgeschaltet wer­ den. Damit wird gleichzeitig ein besserer Schutz des Propulsi­ onsorgans gegen Grundberührung oder Treibgut erreicht. Die Propulsionsanlage entsprechend der Erfindung erlaubt somit die Konstruktion von Schiffen mit geringerem Tiefgang. Der Tunnel bewirkt ferner einen kleineren Verdrängungsverlust des Schif­ fes, als beim normalen Strahlantrieb. Im erhöhten Druck der Gleitfläche wird die Kavitationsgefahr vermindert.

Nach Weiterbildungen der Erfindung kann der Tunnel in Längs­ richtung gradlinig ausgebildet sein und wahlweise eine konkav gekrümmte Tunnelwandung aufweisen und kann der Tunnel im Mit­ tellängsschnitt in Schiffslängsrichtung einen Winkel mit der Gleitfläche aufweisen, der nicht größer als der Trimmwinkel bei Gleitfahrt ist.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das Pro­ pulsionsorgan ein Propeller. Der Propeller wird vorzugsweise im Tunnel so angeordnet, daß die Einsenktiefe der Propel­ lerscheibenfläche in die Gleitfläche durch die Propellerflügel­ zahl bestimmt ist in der Art, daß beim Einfahren eines Flügels in den Tunnel gleichzeitig ein anderer Flügel aus dem Tunnel ausfährt. Das entspricht einem Tunnelteilumfang von einem oder mehreren Propellerumfangs-Teilabschnitten, wobei sich die Teil­ abschnitte aus dem Propellerumfang - geteilt durch die je­ weilige Flügelzahl - ergeben, und wobei sich die Werte für ver­ schiedene Flügelzahlen für die dem Halbkreis nächstkommende Tunnelquerschnittsfläche wie folgt ergeben: für Dreiflügler 240°, für Vierflügler 180°, für Fünfflügler 144° und 216° und für Sechsflügler 180° und 240° Tunnelteilumfang.

Nach anderen Weiterbildungen der Erfindung können die Pro­ pellerflügel einen starken Rückschwung aufweisen, können zwei kontra-rotierende Propeller verwendet werden und kann der Pro­ peller in dem Bereich des freien Wasserstroms unter der Gleit­ fläche in Fortführung seiner Ummantelung durch den Tunnel um­ mantelt sein. Bevorzugt wird bei dieser Ausführung der Propel­ ler über eine schräge Welle mit Wellenbocklager angetrieben, wobei sich der Vorteil ergibt, daß die Anordnung einen kleinen Wellenschrägwinkel aufweist.

Zum Einsatz für Hochgeschwindigkeitsschiffe ist die Erfin­ dung so weitergebildet, daß das Propulsionsorgan der Impeller einer Axial- oder Halbaxial-Pumpe ist, deren Gehäuse dem Tun­ nel so angepaßt ist, daß der Wasserzustrom etwa zur Hälfte durch den Tunnel erfolgt und stufenlos in die Pumpe übergeht, daß die Eintritts-Querschnittsfläche in das Pumpengehäuse klei­ ner ist als die Impellerscheibenfläche, daß am Ende des Pumpen­ gehäuses zur Beschleunigung des austretenden Wasserstrahles eine Düse angeordnet ist, und daß hinter dem Impeller zur Strö­ mungsgleichrichtung Leitbleche angeordnet sind, die gleichzei­ tig zur Halterung des Impellerlagers dienen.

Hier wird also anstelle des Propellers eine Axial- oder Halbaxial-Pumpe verwendet mit Strömungsstau bei Hochgeschwin­ digkeit, so daß keine Geschwindigkeitsbegrenzung durch Kavita­ tion besteht, ähnlich wie beim Wasserstrahlantrieb.

Die Propulsionsanlage entsprechend der Erfindung wird durch Lufteinbrüche nicht stärker beeinträchtigt als ein übli­ cher Propellerantrieb, weil der Wasserzustrom zum Beispiel zu einem Impeller nicht von den Saugdrücken der Pumpe abhängig ist, sondern unter dem Druck der Gleitfläche im Tunnel er­ folgt. Die durchlaufenden Luftblasen werden nur geringe Schub­ schwankungen erzeugen, die kaum einen Einfluß auf das System haben.

Ein weiterer Nachteil des Wasserstrahlantriebs bei Gleit­ booten ist, daß der Wasserstrahlantrieb beim Anfahren hohe Saugkräfte unter dem Schiffsboden erzeugt, die zu einer stark hecklastigen Vertrimmung führen, wobei der Anfahrwiderstand beträchtlich erhöht wird. Diese Erscheinung wird noch weiter erhöht durch die Konfiguration der Wasserstrahlanlage mit der Ansaugöffnung unter dem Gleitboden und dem Strahlaustritt über oder in Höhe der Schwimmwasserlinie. Eine Impulsbetrachtung (Anwendung des Impulssatzes) ergibt dabei eine Kraft mit einer Vorwärtskomponente (erwünschte Schubkraft) und eine abwärtsge­ richtete Kraftkomponente, die von der Formgebung des Zustrom­ rohres abhängt. Bei den bekannten Anlagen liegt diese Abwärts­ kraftkomponente in der Größenordnung der Schubkraft (für 45° Zustromwinkel, oder zumindest 50% der Schubkraft für 25° Zustromwinkel). Eine starke hecklastige Vertrimmung ist die Folge mit starkem Widerstandszuwachs. Der Anfahrvorgang ähnelt einem Sprung aus dem Wasser und benötigt große Überleistung.

Die Propulsionsanlage entsprechend der Erfindung weist die­ se Erscheinung nicht auf, weil der Wasserzufuhrstrom im Ein­ lauf-Halbtunnel nicht nach oben umgeleitet wird. Die geringe Strahlablenkung nach unten durch die Austrittsdüse gleicht die Kräfte der beim Anfahren oder Langsamfahrt entstehenden Unter­ druckgebiete vor der Axialpumpe größtenteils aus. Bei Hochge­ schwindigkeit werden die Saugdrücke vor der Pumpe verschwinden und durch den Aufstaudruck überlagert werden und somit eine Auftriebskraft erzeugen.

Ferner sind die Reibungskräfte und Umlenkverluste im übli­ chen Wasserstrahlantrieb beträchtlich höher und reduzieren den Gesamtwirkungsgrad. Die Propulsionsanlage entsprechend der Er­ findung dagegen hat weit weniger Oberflächen im Wasserkontakt, da der Tunnel auch gleichzeitig Schiffsboden und Gleitfläche ist und durch die hohle Form nur eine kleine zusätzliche Ober­ flächenvergrößerung zu verzeichnen ist. Das Gehäuse der Axial­ pumpe kann mit minimaler Oberfläche entworfen werden, und die Außenoberflächen sind nur im unteren Bereich umströmt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Mantelgehäu­ se des Mantelpropellers oder das Pumpengehäuse des Impellers an den Spiegel des Gleitbootes in Flucht des Tunnels von hin­ ten angesetzt.

Nach einer anderen Weiterbildung sind vor dem Impeller Leitbleche angeordnet, die dem einfließenden Wasser einen sol­ chen Vordrall geben, daß der austretende Düsenstrahl bei Fahrt mit Entwurfsgeschwindigkeit annähernd drallfrei ist.

Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind in die Düse konische Einsatzringe einsetzbar, die der Form des Düsenaustritts stromlinienförmig angepaßt sind und den Düsen­ endquerschnitt verkleinern. Dadurch wird der Druck in der Pum­ pe und der Aufstaudruck der Strömung vor der Pumpe erhöht, um den Impeller bei erhöhter Austrittsstrahlgeschwindigkeit zu höherer Leistungsaufnahme zu zwingen oder um Kavitationser­ scheinungen in der Pumpe zu verhindern und so eine bessere An­ passung des Propulsionsorgans an die Schiffswiderstandscharak­ teristik zu erreichen. Diese Ausbildung bietet den weiteren Vorteil, daß Boote, die mit einer Propulsionsanlage nach der Erfindung ausgerüstet sind, die aber keine Düsenverstellung benötigen, nach der Probefahrt durch den Einbau von konischen Einsatzringen in den Düsenaustritt "nachgetrimmt" werden kön­ nen, um eine bessere Anpassung der Pumpencharakteristik an das fertige Schiff zu erreichen.

Weiterhin kann im Endbereich der Düse ein Nabenschwanzko­ nus in Axialrichtung verschiebbar angeordnet sein, wodurch der Düsenaustrittsquerschnitt veränderbar ist.

Nach einer anderen Weiterbildung kann die Düsenquer­ schnittsveränderung von kreisförmig auf quadratisch durch ver­ stellbare Endplatten erfolgen, wobei der Bereich der Quer­ schnittsveränderung einen negativen Druckgradienten aufweist, also der kleinste Querschnitt stets der Austrittsquerschnitt ist. Dabei können die vertikal angeordneten Endplatten hinter der Düse um vertikale Achsen verstellbar und als Strahlruder ausgebildet sein.

Eine Strahleinengung durch Düsenverstellung bei steigender Fahrt kommt im Effekt einer Flügelsteigungserhöhung eines Pro­ pellers gleich. Die Propulsionsanlage nach der Erfindung mit verstell- oder regulierbarer Düsenstrahl-Austrittsflächenvaria­ tion wird darum eine Leistungscharakteristik wie ein Verstell­ propeller aufweisen, ohne jedoch die aufwendige und komplizier­ te Flügelverstellkonstruktion des Verstellpropellers zu benöti­ gen. Damit kann der Widerstands-Hump eines Gleitbootes wir­ kungsvoller durchfahren werden, wobei immer ein möglichst gro­ ßer Strahlquerschnitt gewählt wird.

Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung kann die hinter dem Pumpengehäuse angeordnete Düse ein sphärisch ausgebildetes Düsengehäuseteil aufweisen, das auf einem angepaßten Pum­ pengehäuseteil schwenkbar angeordnet ist.

Die vor dem Impeller angeordneten Leitbleche können weiter­ hin zur Achse vorwärts gepfeilt sein. Damit können die Leitble­ che gleichzeitig zur Abweisung von Treibgut dienen, das dann entlang der Leitblecheinlaufkanten nach unten und seitlich ab­ fließen kann.

Weiterhin kann die Axialpumpe ein Tandemimpeller-Paar auf­ weisen und können Leitbleche derart angeordnet sein, daß auch hier der Abstrom hinter dem hinteren Impeller bei Entwurfsge­ schwindigkeit drallfrei ist, wobei die Leitbleche gleichzeitig zur Propellerlager-Halterung ausgebildet sind.

In einer weiteren Sonderausführung für Gleitboote, die bei relativ kleineren Geschwindigkeiten nahe der sogenannten Hump- Widerstands-Geschwindigkeit operieren, werden am hinteren Ende der Gleitflächen beiderseits des Tunnels übliche Staukeile an­ geordnet, um eine Druckerhöhung der Gleitfläche am Spiegel zu erreichen und gleichzeitig einen höheren Druckaufstau vor der Pumpe zu erzielen. Der Zufluß zur Pumpe wird dadurch verbes­ sert und die hecklastige Vertrimmung des Gleitbootes in diesem Geschwindigkeitsbereich, bei der das Gleiten gerade einsetzt, wird damit ausgeglichen und somit der Fahrtwiderstand vermin­ dert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung darge­ stellt. Es zeigen

Fig. 1-3 eine erste Ausführung der Erfindung mit Wasser­ zufuhrtunnel und angepaßtem Propeller in Heckan­ sicht, Seitenansicht und Unteransicht,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Boot mit einer zweiten Ausführung mit einer Axialpumpe,

Fig. 5 einen teilweisen Längsschnitt durch den hinteren Be­ reich eines Bootes mit einer Antriebsanlage entspre­ chend Fig. 4 mit Düsenaustritts-Querschnittsverstel­ lung,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Antriebsanlage ent­ sprechend Fig. 4 mit quadratischer Enddüse und Aus­ trittsstrahlverstellung,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Antriebsanlage ent­ sprechend Fig. 4 mit einem Düsenaustritts-Einen­ gungskonus,

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Antriebsanlage mit Axialpumpe und Düse und vorgeschalteten Dralleit­ blechen und

Fig. 9a und 9b eine Antriebsanlage mit einer Steuerdüse gemäß Fig. 8 in Seitenansicht und Unteransicht.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen eine Propulsionsanordnung für ein langsameres Boot 1, das hier zur Vereinfachung im Halb­ schnitt dargestellt ist. Die Gleitfläche des Schiffsbodens ist mit 8 bezeichnet und hat einen Kiel 4. In der Gleitfläche ist ein Tunnel 2 mit seitlichen Kanten 5 und 6 derart teilweise versenkt angeordnet, daß der Tunnelquerschnitt am Ort des Propellers 3 halbkreisförmig ausgebildet und dem Propeller mit kleinem Spielraum angenähert ist. Der Tunnel liegt angenähert in Stromlinienrichtung und verjüngt sich bei gleichbleibender Breite im Querschnitt nach vorn hin, bis sein Mantel vorn bei 16 in die Gleitfläche 8 des Bootes übergeht. Der Propeller 3 ist auf einer schrägen Propellerwelle 7 angeordnet, die ein La­ ger in einem Wellenbock 9 hat. Ein Ruder 10 ist im Propeller­ strom angeordnet.

Die Decke des Tunnels 2 bildet einen Winkel R mit dem Gleitboden 8 und die Längsschnitte durch den Tunnel sind vor­ zugsweise geradlinig und am Ende bei 15 vorzugsweise konkav (von der Wasserseite betrachtet) gekrümmt, um keine negativen Druckfelder bei der Durchströmung entstehen zu lassen.

Die in Fig. 2 bezeichneten Querschnitte B-B und C-C durch den Tunnel sind in Fig. 1 wiedergegeben. Sie haben kein volles Kreisprofil mehr, sondern ein abgeflachtes Profil mit vorzugs­ weise konstanter Breite über die ganze Längserstreckung des Tunnels.

Der Tunnelwinkel R ist vorzugsweise kleiner als der Gleit­ boottrimmwinkel bei Fahrt. Der Propellerwellenwinkel γ kann, je nach Getriebe- und Motoranordnung, sehr klein gewählt werden und ist in jedem Fall kleiner als bei üblichen Propel­ leranordnungen. Entsprechend der Ausrichtung nach den Stromli­ nien bei Dienstgeschwindigkeit verläuft der Tunnel angenähert parallel zur Mittschiffslängsebene des Bootes. Die seitlichen Kanten 5, 6 des Tunnels sind mit Abrundungsradien 13, 14 ver­ sehen, da unter den verschiedenen Dienstbedingungen eine gerin­ ge Umströmung der Kanten nicht immer zu vermeiden ist.

Beim Ausführungsbeispiel ist ein vierflügliger Propeller 3 am Ende des Tunnels angeordnet. Durch die Annäherung des hier kreisförmigen Tunnels an den Propeller wird das Umströmen der Propellerblätter vermindert.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Propulsionsorgan als Axialpumpe ausgebildet ist. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft für Gleitboote, bei de­ nen Propellergeräuschentwicklung unerwünscht ist und die sehr hohe Geschwindigkeiten ohne Propellerkavitationsprobleme fah­ ren sollen. Das Propulsionsorgan besteht hier aus einem umman­ telten Impeller 22 mit Nabe 18 und Nabenschwanzkonus 19, der im Bereich des Spiegels des Bootes hinter dem rückwärtigen Ausgang des Tunnels 2 angeordnet und von einer nachgeschalte­ ten Düse 20 umgeben ist. Auch hier wird die Antriebswelle 7 schräg in den Bootsrumpf eingeführt, wie beim Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1 bis 3. Zur Rückgewinnung der Drallver­ luste des Impellers sind dem Impeller übliche Leitschaufeln 21 nachgeschaltet. Die Leitschaufeln 21 halten außerdem ein Wel­ lenlager 17 im Zentrum des Pumpengehäuses. Vorzugsweise wird hier ein wassergeschmiertes Radiallager vorgesehen. Die Befe­ stigung der Axialpumpe mit Düse an der Spiegelplatte erlaubt eine einfachere Herstellung und einen einfacheren Zusammenbau.

Die Bedingungen für den Tunnel sind etwa die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1-3. Das Axialpumpen- Element ist am Ende des Tunnels in Fortsetzung desselben an­ geordnet, wobei der Tunnel 2 mit einem relativ kleinen Winkel zum Gleitboden verläuft und möglichst keine konvex gekrümmten (zur Wasserseite ausgebeulten) Oberflächen hat und konstante Kanalbreite bis zum Auslauf nach vorn aufweist und die Wasser­ versorgung des Impellers erlaubt, ohne dabei nach unten gerich­ tete Saugkräfte infolge Tunneleinströmung zu erzeugen. Solange der Winkel, mit dem der Tunnel angeordnet ist, kleiner oder etwa gleich dem Gleitwinkel des Bootes ist, wird das Zufuhrwas­ ser unter Druck des Gleitbodens der Pumpe zugeführt und werden damit unerwünschte Bootvertrimmungen vermieden.

Die Axialpumpe arbeitet dann in einem Gebiet erhöhten Druckes, was Kavitationserscheinungen entgegenwirkt. Der Druck auf den Impeller 22 wird weiterhin erhöht durch die nachge­ schaltete Düse 20, die eine Querschnittsverkleinerung des aus­ tretenden Wasserstrahles F-F ergibt. Durch die Strahleinengung wird der Pumpeninnendruck wegen des Aufstaues des mit Fahrtge­ schwindigkeit anströmenden Wassers vor der Pumpe erhöht. Je stärker die Düsenkontraktion, desto höher der Pumpeninnendruck und desto höher wird die vom Impeller übertragene Leistung. Die Leistungsaufnahme des Impellers kann somit durch eine Ver­ änderung des Düsenaustrittsquerschnittes gesteuert oder gere­ gelt werden. Durch relativ kleine Düsenaustrittsquerschnitts- Veränderungen von E-E nach F-F können stark ansteigende Drücke im Innern der Pumpe erzeugt werden, die die Lastaufnahme erhö­ hen aber auch den Kavitationserscheinungen entgegenwirken. Der Druckanstieg ist von der Fahrtgeschwindigkeit abhängig und ist für sehr schnelle Schiffe am wirksamsten.

Hinter der Düse 20 ist ein Ruder 10 angeordnet. Für sehr schnelle Schiffe ist eine Doppelruderanlage mit seitlich der Düsenstrahlen angeordneten Ruderblättern vorzuziehen. Die Ruder kommen nur beim Ruderlegen in Wasserkontakt, bei gerader Fahrt voraus erzeugen sie keine Reibungsverluste. Rückwärts­ fahrt ist durch Umsteuern des Impellers 22 möglich. Es kann auch eine Strahlumkehrvorrichtung, wie bei Strahlantrieben, Anwendung finden.

Durch den Druckaufstau in der Axialpumpe entsteht ein Gebiet erhöhten Druckes im Querschnitt D-D und auch vor der Pumpe, wobei erhöhte Auftriebskräfte der Gleitfläche und der Tunnelfläche erzeugt werden, die wünschenswert sind und zur dynamischen Schiffsauftriebs-Tragkraft beitragen. Der dabei entstehende Widerstand der Impellerummantelung muß von der Strahlerzeugung als Zusatzwiderstand überwunden werden. Er stellt eine relativ kleine Verlustarbeit dar, die jedoch durch die nichtvorhandenen Zufluß-Wasserumlenkungen und Rohrreibungs­ verluste eines üblichen Strahlantriebes mehr als ausgeglichen sind.

Der Wirkungsgrad der Propulsionsanlage wird darum höher sein, als der einer üblichen Wasserstrahl-Antriebsanlage, was besonders bei Langsamfahrt wichtig ist für Gleitboote mit dem bekannten Hump-Widerstand im Geschwindigkeitsgebiet, in dem der Schwimmzustand in den Gleitzustand übergeht. Hier können weitere Verbesserungen erreicht werden, wenn bei dieser Lang­ samfahrt die Strahlquerschnittsfläche der Düse F-F durch Ver­ stellung vergrößert wird, was einer Flügelsteigungsverminde­ rung eines Propellers ähnlich ist.

Die Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zum Ver­ stellen der Düsenaustrittsfläche. Hier ist die Axialpumpe 24 mit einem axial verstellbaren Nabenschwanzkonus 23 ausgestat­ tet. Beim Verschieben des Nabenschwanzkonus 23 nach hinten wird die Strahlaustrittsfläche 25 der Düse 20 auf eine kleine­ re Fläche 26 gebracht. Umgekehrt wird die Fläche beim Nachvorn­ fahren des Nabenschwanzkonus 23 vergrößert. Der Flächenunter­ schied hängt von der Formgebung der Düse 20 und des Naben­ schwanzkonus 23 ab und kann bei einem Nabendurchmesser von 0,5 des Impellerdurchmessers bis zu 25% Flächenunterschied ausma­ chen, was für eine übliche Strahlregelung ausreichend ist. Da­ bei wird die Verschiebung des Nabenschwanzkonus 23 vorzugswei­ se ölhydraulisch bewirkt.

Fig. 6 zeigt eine andere Möglichkeit einer Düsenaustritts- Flächenveränderung. Die Düse ist hier so ausgebildet, daß der kreisförmige Querschnitt am Einlauf stetig in einen rechtecki­ gen oder quadratischen Querschnitt am Auslauf übergeht. Hier sind am rückwärtigen Ende der Düse Endplatten 27, 28 angeord­ net, die eine Querschnittsveränderung ermöglichen. Dabei muß die stromlinienförmige Übergangsdüse im Bereich der Quer­ schnittsveränderung G-G, H-H, I-I einen Druckabfall (negativen Druckgradienten) erzeugen, um gute Wirkungsgrade der Düse zu erhalten. Der Düsenaustritt I-I ist dann am Ende quadratisch oder rechteckig. Durch Schwenken der einander horizontal gegenüberliegenden Düsenendplatten 27, 28 kann der Düsenaus­ tritt sowohl eingeengt und verstellt als auch reguliert werden. Hinter dem Düsenaustritt sind vertikale Ruderplatten 30 angeordnet. Der Wirkungsgrad einer von runden auf quadra­ tischen Querschnitt verlaufenden Düse ist bei optimaler Formge­ bung, die Druckabfall bis zur Vollendung des Querschnittsüber­ ganges erfordert, fast dem einer kreisförmigen Düse gleich. Der Vorteil einer kompakteren Ruderanordnung ergibt sich hier nebenbei. Einer Strahleinengung sind dabei keine Grenzen ge­ setzt, wie es der Fall bei der Nabenschwanzkonus-Verstellung ist.

Fig. 7 zeigt die Verwendung von konischen Einsatzringen 31. Durch diese Einsatzringe 31 wird der Austrittsstrahl der Düse 20 eingeengt. Dabei muß der konische Einsatzring eine stromlinienförmige Anpassung an die Düse aufweisen, damit durch das Einsetzen keine Strömungsverluste entstehen.

Wie Fig. 7 weiter zeigt, kann die Einlaufkante 32 zur Axialpumpe schräg von der unteren zur oberen Tunnelkante ver­ laufen, wie mit 33 angedeutet, um einen besseren Schutz des Impellers vor Treibgut zu gewährleisten, das sich dann nicht am Düseneintritt verklemmen kann, das dann vielmehr seitlich nach hinten abfließen kann.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem vor dem Impeller 36 Leitbleche 34 zur Rückgewinnung der Drallverlu­ ste angeordnet sind. Es sind eine größere Anzahl derartiger Leitbleche über den Umfang der Axialpumpe verteilt, damit sie zusätzlich ein Impeller-Schutzgitter bilden, mit dem verhin­ dert wird, daß Treibgut vom Impeller erfaßt wird. Dabei werden die Leitbleche der Düsenaustrittsform lateralartig angepaßt und haben vorzugsweise eine gepfeilte Einlaufkante, um Treib­ gut seitlich abzuleiten.

Die Leitbleche 34 haben eine Eintrittskante, die in Strö­ mungsrichtung zeigt und eine Krümmung, ähnlich einem Strömungs­ profil, die die Strömung gegen die Propellerdrehrichtung ab­ lenkt, und zwar so stark, daß der Vordrall in Kombination mit den induzierten Drallgeschwindigkeiten des Impellers einen glatten Abstrom hinter dem Impeller ergibt, wenn das Boot bei Dienstgeschwindigkeit operiert. Dadurch werden die sonst auftretenden Drallverluste zurückgewonnen und eine Wirkungs­ graderhöhung erreicht.

Der Anti-Drall-Leitblechring 34 wird vorzugsweise gleich­ zeitig als Lagerbock mit einem Lager 35 zur Wellenlagerung ausgebildet. Der Impeller 36 kann als Axial- oder Halb­ axial-Pumpenimpeller ausgebildet sein. In dieser Zusammenstel­ lung läßt sich die Pumpe mit Düse und Vorleitsystem am besten mit minimalen Wasserkontaktflächen und kurzer Pumpe optimie­ ren. Die Nabe 37 kann hier auch als Düsenstrahl-Regulierein­ richtung, wie oben beschrieben, ausgebildet sein. Mit dieser Anordnung sind sehr hohe Gesamtwirkungsgrade möglich. Dabei ist der Impeller in bester Weise geschützt.

Fig. 9a und 9b zeigen eine Ausbildung der Austrittsdüse der Axialpumpe als Steuerdüse, mit der eine Ruderwirkung erzielt werden kann. Dabei ist eine sphärische Steuerdüse 41 auf einem ebenfalls sphärischen Pumpen-Gehäuse 42 schwenkbar angeordnet. Der Impeller 43 hat hier auch sphärischen Umriß. Die Steuerdüse 41 kann auch vertikal gesteuert und als aktives Trimmelement benutzt werden. Die Steuerdüse 41 ist dann über zwei Zapfen vertikal gelagert, und die Ruderkräfte werden über einen Hebel 40 eingebracht.

Die Axialpumpe ist auch hier hinter dem Tunnel 39 an die Spiegelplatte des Gleitbootes angeflanscht. Die Anordnung erlaubt minimale Wasserkontaktflächen und somit beste Wirkungs­ grade. Die aktive Strahlablenkung ergibt sehr starke Ruderkräf­ te.

Claims (19)

1. Propulsionsanordnung für Gleitboote, insbesondere seege­ hende Gleitboote mit Kielungswinkel und Doppelpropulsionsanla­ ge, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche im Hinterschiffs-Bereich wenigstens einen nach unten offenen Tunnel aufweist, in dem ein Propulsionsor­ gan unter dem Ende der Gleitfläche teilweise versenkt angeord­ net ist, daß der Tunnelquerschnitt am Ort des Propulsionsor­ gans der Propulsionsorgan-Querschnittsfläche mit kleinem Spiel­ raum angenähert und etwa halbkreisförmig ausgebildet ist, und daß der Tunnel in die Gleitfläche eingelassen ist, angenähert in Stromlinienrichtung liegt und sich bei etwa gleichblei­ bender Breite nach vorn hin im Querschnitt verjüngt.

2. Propulsionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Tunnel in Längsrichtung geradlinig ist und zum hinteren Ende hin vorzugsweise eine konkav gekrümmte Tunnelwandung aufweist.

3. Propulsionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tunnel im Mittellängsschnitt in Schiffs­ längsrichtung einen Winkel mit der Gleitfläche aufweist, der nicht größer als der Trimmwinkel bei Gleitfahrt ist.

4. Propulsionsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Propulsionsorgan ein Propeller (3) ist.

5. Propulsionsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Propeller (3) im Tunnel so angeordnet ist, daß die Einsenktiefe der Propellerscheibenfläche in die Gleitfläche durch die Propellerflügelzahl bestimmt ist in der Art, daß beim Einfahren eines Flügels in den Tunnel gleichzei­ tig ein anderer Flügel aus dem Tunnel ausfährt, was einen Tunnelteilumfang von einem oder mehreren Propellerumfangs- Teilabschnitten entspricht, wobei sich die Teilabschnitte aus dem Propellerumfang - geteilt durch die jeweilige Flügelzahl - ergeben, und wobei sich die Werte für verschiedene Flügelzah­ len für die dem Halbkreis nächstkommende Tunnelquerschnitts­ fläche wie folgt ergeben

• für Dreiflügler von 240°
  für Vierflügler von 180°
  für Fünfflügler von 144° und 216°
  für Sechsflügler von 180° und 240°

6. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller (3) über eine schrä­ ge Welle (7) mit Wellenbocklager angetrieben ist, wobei die An­ ordnung einen kleinen Wellenschrägwinkel aufweist.

7. Propulsionsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Propulsionsorgan aus zwei kontra-rotierenden Propellern besteht.

8. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller in dem Bereich des freien Wasserzustroms unter der Gleitfläche in Fortführung sei­ ner Ummantelung durch den Tunnel ummantelt ist.

9. Propulsionsanordung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Propulsionsorgan der Impeller (36) einer Axial- oder Halbaxial-Pumpe ist, deren Gehäuse dem Tunnel so angepaßt ist, daß der Wasserzustrom etwa zur Hälfte durch den Tunnel erfolgt und stufenlos in die Pumpe übergeht, daß die Eintritts-Querschnittsfläche in das Pumpengehäuse klei­ ner ist als die Impellerscheibenfläche, daß am Ende des Pumpen­ gehäuses zur Beschleunigung des austretenden Wasserstrahles eine Düse angeordnet ist, und daß hinter dem Impeller zur Strö­ mungsgleichrichtung Leitbleche angeordnet sind, die gleichzei­ tig zur Halterung des Impellerlagers dienen.

10. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgehäuse des Mantel­ propellers oder das Pumpengehäuse des Impellers an den Spiegel des Gleitbootes in Flucht des Tunnels von hinten angesetzt ist.

11. Propulsionsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Impeller (36) über eine übliche schrä­ ge Welle (7) mit Wellenbocklager angetrieben ist, wobei die An­ ordnung einen kleinen Wellenschrägwinkel aufweist.

12. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Impeller Leitbleche an­ geordnet sind, die so geformt sind, daß sie dem einfließenden Wasser einen Vordrall gegen den Impellerdrehsinn erteilen, der etwa so groß aber entgegengesetzt dem induzierten Drall der Strömung hinter dem Impeller ohne Leitbleche ist, daß der aus­ tretende Düsenstrahl bei Fahrt mit Entwurfsgeschwindigkeit an­ nähernd drallfrei ist, wobei Impeller, Leitbleche, Pumpengehäu­ se und Düse als eine kombinierte Einheit mit minimaler Wasser­ kontaktfläche ausgebildet sind.

13. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Düse konische Einsatz­ ringe einsetzbar sind, die der Form des Düsenaustritts stromli­ nienförmig angepaßt sind und den Düsenendquerschnitt verklei­ nern.

14. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Düse ein Nabenschwanzkonus (23) in Axialrichtung verschiebbar angeord­ net ist.

15. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Querschnitt am Einlauf der Düse stetig in einem rechteckigen oder quadra­ tischen Querschnitt am Auslauf der Düse übergeht und daß am rückwärtigen Ende der Düse Endplatten (27, 28) schwenkbar an­ geordnet sind, wobei im Bereich der Querschnittsveränderung ein negativer Druckgradient vorhanden ist, also der kleinste Querschnitt stets der Austrittsquerschnitt ist.

16. Propulsionsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß hinter dem Düsenaustritt vertikale Ruderplatten (30) um vertikale Achsen verstellbar angeordnet sind.

17. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die hinter dem Pumpengehäuse angeordnete Düse ein sphärisch ausgebildetes Düsengehäuseteil (41) aufweist, das auf einem angepaßten Pumpengehäuseteil (42) schwenkbar angeordnet ist.

18. Propulsionsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vor dem Impeller angeordneten Leitbleche zur Achse vorwärts gepfeilt sind.

19. Propulsionsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialpumpe ein Tandem-Im­ peller-Paar aufweist, daß die Leitbleche zur Gleichrichtung des Abstrahls des vorderen Impellers zwischen den Impellern angeordnet sind und in der Strömung einen Vordrall zum hin­ teren Impeller erzeugen, derart, daß der Abstrom hinter dem hinteren Impeller bei Entwurfsgeschwindigkeit drallfrei ist, und daß die Leitbleche gleichzeitig zur Propellerlager-Halte­ rung ausgebildet sind.