[0001] Bei einem sogenannten Pumpjet, wie er hier als bisher praktizierter Stand der Technik
zugrundegelegt wird, ist im Schiffsrumpf ein vertikaler, rohrförmiger Schacht eingebaut,
dessen unteres Ende in der im wesentlichen horizontalen Ebene lieg: 1
1e den im wesentlichen ebenen Boden des für den Einsatz auch in extrem flachen Gewässern
bestimmten Schiffs aufnimmt. In diesem Schacht ist um eine vertikale Achse, die mit
der Längsachse des Schachts zusammenfällt, drehbar ein halbaxiales Laufrad angeordnet.
Dieses Laufrad saugt in seinem Einlaß Wasser axial an, um es in den Schaufelkanälen
schräg nach oben zu fördern. Das geförderte Wasser gelangt in ein Spiralgehäuse, aus
dem es durch eine Düse hindurch austritt, wobei die Strahlenergie den Vortrieb des
Schiffes bestimmt und die Strahlrichtung dessen Bewegungsrichtung. Nach unten ist
der Schacht durch einen Deckel verschlossen, in dem konzentrisch die Ansaugöffnung
für das vom Laufrad anzusaugende Wasser angeordnet ist.
[0002] Dieses Prinzip wurde bei einer sogenannten Topfpumpe nach der DE-OS 37 35 699 insofern
verlassen, als das Laufrad statt in ein Spiralgehäuse zu fördern, in einen feststehenden
Leitschaufelkranz fördert, der so ausgebildet ist. daß an den Austrittsenden der Strömungskanäle
die am Eintrittsende dieser Kanäle vorliegende Strömungsenergie weitestgehend in Druckenergie
umgesetzt ist. Der Schacht ist nicht mehr im Schiffsrumpf fest eingebaut, sondern
ein um seine Längsachse drehbares Druckgehäuse, und er umschließt zusammen mit der
Bodenplatte eine Druckkammer, in der sich das geförderte Wasser mit dem Druck befindet,
wie er sich am Austrittsende des Leitschaufelkranzes einstellt. An jeder beliebigen
Stelle des Druckgehäuses oder "Topfes" kann eine Austrittsöffnung angebracht werden,
um den Vortrieb des Schiffes zu bewirken und die Vortriebsrichtung bzw. Fahrtrichtung
des Schiffes zu bestimmen. Statt dieser einen Austrittsöffnung kann auch eine Mehrzahl
von Austrittsöffnungen in zweckentsprechender Zuordnung zueinander und zum Gehäuse
vorgesehen werden. Durch Schwenken des Druckgehäuses kann die Austrittsrichtung des
oder der das Gehäuse verlassenden Strahls bzw. Strahlen bestimmt werden, um damit
die Schubrichtung bzw. die Fahrtrichtung des Schiffes bestimmen zu können. Damit ist
ein für neu erachtetes Antriebssystem aufgezeigt, ohne daß aber angegeben wird, wie
dieses Prinzip in die Praxis umgesetzt werden könnte.
[0003] Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein indem sie eine in besonders zweckmäßiger
Weise in der Praxis realisierbare Bauweise einer solchen Topfpumpe aufzeigt. Die Merkmale
einer erfindungsgemäßen Pumpe ergeben sich aus den Patentansprüchen. Die Pumpe ist
nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 3,
Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt nach der Linie 11-11 in Fig. 3,
Fig. 3 eine vertikale Ansicht auf die Unterseite der Pumpe gemäß Fig. 1,2 und
Fig. 4 eine Einzelheit der Anordnung, die in Fig. 1 etwa durch den Kreis A umschrieben
ist, in größerer Darstellung.
[0004] Wie an sich bereits bekannt, weist auch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
einen zylindrischen bzw. topfförmigen Druckbehälter 1 auf, der mit vertikaler Längsachse
im Schiff eingebaut ist, unten durch eine Bodenplatte 3, oben durch die mit Rippen
27a versteifte Deckplatte 27 verschlossen ist und gleichachsig zu seiner Längsachse
das halbaxial beschaufelte Laufrad 2 aufnimmt, dem ein Leitschaufelkranz 5 nachgeschaltet
ist, der weitestgehend die Strömungsenergie, die im Bereich der Auslaßkanten der Schaufeln
des Laufrades 2 herrscht, in Druckenergie umsetzt. Der axiale Wassereinlaß 4 in das
Druckgehäuse 1 ist konzentrisch zur Gehäuselängsachse in die Bodenplatte 3 integriert,
in die auch drei Auslaßdüsen 10,11,12 symmetrisch zu einer vertikalen Durchmesserebene
16a (Fig. 2) angeordnet und ausgebildet sind. Das axial durch den Einlaß 4 angesaugte
Wasser wird im Laufrad 2 in eine Richtung schräg nach oben gelenkt und nach dem Leitapparat
mit dem Leitschaufelkranz 5 den Auslaßdüsen 10 bis 12 zugeführt, um diese schräg nach
unten gerichtet zu verlassen (Fig. 1). In der Druckkammer 6 des Druckgehäuses 1 liegt
demzufolge nur eine sehr geringe Strömung vor, weil die Strömungsenergie eben weitestgehend
in Druckenergie umgesetzt ist. Der Strömungsverlauf von der zentrischen Eintrittsöffnung
4 in der Bodenplatte 3 bis zum Eintritt in die Druckkammer 6 bzw. zum Ende der Strömungskanäle
des Leitschaufelkranzes sind durch Pfeile 7 (ansaugen), 8 (Durchtritt durch die Strömungskanäle
des Laufrades 2) und 9 (Durchtritt durch die Strömungskanäle des Leitschaufelkranzes)
gekennzeichnet. Der Austritt des Wassers aus der Druckkammer 6 erfolgt über die drei
in gleicher Weise und parallel schräg nach unten gerichteten in die Bodenplatte 3
integrierten Auslaßdüsen 10,11 und 12 entsprechend den Pfeilen 13,14 und 15. Da die
drei Auslaßdüsen 10,11 und 12 in der Draufsicht gemäß Fig. 3 bezüglich der vertikalen
Längsmittelebene 16 symmetrisch angeordnet sind, treten bei der Rundumsteuerung in
beide Drehrichtungen mit oder gegen den Uhrzeigersinn keine unterschiedlichen und
obendrein noch sehr niedrige Steuermomente auf, was die Lagerung des Antriebs vereinfacht
und die Steuerung des Schiffes erleichtert. Zwischen dem zylindrischen Druckgehäuse
1 und der Bodenplatte 3 besteht abweichend vom Stand der Technik keine mechanische
Verbindung. Es besteht vielmehr ein Ringspalt zwischen Druckgehäusewand und Bodenplatte
3, der weitgehend durch Dichtungen wasserdicht abgedichtet ist. Hierzu sind in einem
vertikalen, zylindrischen Rand 16 Dichtungsringe 17 gehalten, die an einem den Schacht
1 im Bereich seines unteren Randes versteifenden ringförmigen, verschleißfesten und
nichtrostenden Einsatz 18 anliegen. Jeder der vorgesehenen drei Dichtungsringe 17
besteht aus einem dichtenden Werkstoff, er ist ein offener Ring, der radial federt
und der so relativ zu den beiden anderen Ringen eingebaut ist, daß die Stöße der drei
offenen Ringe möglichst klein, aber obendrein noch in Umfangsrichtung gegeneinander
versetzt sind, so daß der Stoß des mittleren Ringes hinter einem nicht unterbrochenen
Abschnitt sowohl des oberhalb als auch des unterhalb von ihm liegenden Dichtungsringes
liegt und obendrein ist der Stoß des obersten Ringes in Umfangsrichtung gegenüber
dem Stoß des untersten Dichtungsringes versetzt. Es ist damit im Hinblick auf die
Betriebsanforderungen eine optimale Labyrinthdichtung gegeben.
[0005] Der in die Bodenplatte 3 integrierte Wassereinlaß 4 ist ein nach innen weisender
stulpenförmiger Leitkörper 19, der eine die Strömung begrenzende strömungsgünstige
Kontur hat, und mit Rippen 20 gleichzeitig als Ansaugschutzgitter dient. Über mehrere
dieser radialen Rippen 20 ist zentrisch im Einlaß 4 eine Steuerwelle 21 mit ihrem
unteren Ende fest gehalten, so daß Drehbewegungen der Steuerwelle 21 in beiden Umfangsrichtungen
über die Stege 20 auf die Bodenplatte 3 übertragen werden können, um die Austrittsrichtung
der aus den Wasserdüsen 10 bis 12 austretenden Wasserstrahlen 13,14,15 verändern zu
können. Die Drehbewegungen der Steuerwelle 21 werden über ein Zahnradgetriebe 22,23
bewirkt, dessen Flansch 24 an die Abtriebswelle eines geeigneten, nicht dargestellten
Stellmotors kraftübertragend angeflanscht ist. Oberes Ende der Steuerwelle 21 und
Zahnradgetriebe 22,23 sind im oberen Bereich eines domartigen Gehäuses 25 angeordnet,
wobei das Zahnradgetriebe ein Schneckengetriebe ist, dessen Schnecke 23 mit ihrer
Welle 26 aus dem Gehäuse 25 herausgeführt ist und außerhalb des Gehäuses 25 am Ende
den Anschlußflansch 26 trägt. Schnekkenrad 22 einerseits und Schnecke 23, Welle 26
und Flansch 24 andererseits sind in verschiedenen, zur Bildebene parallelen Ebenen
angeordnet, so daß die Schnecke 23 insbesondere auf der Rückseite des Schneckenrades
22 tangential an dieses herangeführt ist und in dieses eingreift.
[0006] Zwischen dem Druckgehäuse 1 und dem domartigen Gehäuse 25 ist die Gehäusedeckplatte
27 angeordnet, die als Ringplatte mit Versteifungsrippen 27a ausgebildet ist und am
Außenrand lösbar mit dem oberen Schachtrand bzw. einem diesen versteifenden Horizontalflansch
28 und am Innenrand ebenfalls lösbar mit einem Ringflansch 29 des domartigen Gehäuses
25 verbunden ist, wobei als lösbare Befestigungsmittel Schraubenverbindungen 30 symbolisch
dargestellt sind. An der Unterseite der Gehäusedeckplatte 27 sind die Schaufel des
Leitschaufelkranzes 5 befestigt, wobei die Deckplatte 27 so konturiert ist, daß sie
eine der Deckscheiben der Schaufelkanalbegrenzungen ist. Die andere Deckscheibe 31
dient der unteren Begrenzung der Schaufelkanäle und endet in einem Zylinderabschnitt
31 a, zwischen dem und der Einlaßleitkörper 19 sich ein Drahtwälzlager 32 befindet.
Das Drahtwälzlager 32 ist aus einem nichtrostendem Stahl hergestellt und wird durch
das umgebende Medium (Wasser) geschmiert. Sich im Medium befindende Fremdkörper, wie
Schmutz und Sand, werden durch Filzringe 33,34, die ebenfalls durch das Medium geschmiert
werden, vom Drahtwälzlager 32 ferngehalten (Fig. 4). Es ist durch diese Anordnung
keine Öl-Fettschmierung erforderlich, die Lagerung ist umweltfreundlich und wartungsfrei.
Die gesamte Bodenplatte 3 ist um ihre Längsachse, die die Längsachse der Steuerwelle
21 ist, endlos steuerbar, so daß in jeder beliebigen Steuerrichtung die volle horizontale
Schubkraft zur Verfügung steht.
[0007] Die Steuerwelle 21 ist koaxial durch die als Hohlwelle ausgeführte Kraftübertragungswelle
35 hindurchgeführt, die unterhalb des Getriebes 22,23 in dem domartigen Gehäuse 25
endet und an diesem oberen Ende drehfest ein Kegelrad 36 trägt, auf das und damit
die Kraftübertragungswelle 35 das Antriebsdrehmoment für das Laufrad 2 mittels eines
Gegenrades 37 und dessen aus dem domartigen Gehäuse 25 herausgeführten Welle sowie
einem Kupplungsflansch 38 von einem nicht dargestellten geeigneten Antriebsmotor aus
übertragen wird. Die Kraftübertragungswelle 35 ist mittels zweier axial gegeneinander
versetzter Drehlager 39,40 in einem Rohr 41 geführt, das in der Ebene des Flansches
29 in dem domartigen Gehäuse 25 an dessen unterem Ende konzentrisch gehalten ist,
wobei die beiden Rohrenden und die Drehlager 39,40 oberhalb bzw. unterhalb dieser
Ebene liegen. Unterhalb des unteren Endes des Rohres 41 ist auf der Kraftübertragungswelle
35 das Laufrad 2 mit seiner Nabe drehfest gelagert.
[0008] Der Schneckentrieb 22,23 kann, außer der bislang üblichen elektrischen oder hydraulischen
Ansteuerung auch mechanisch angesteuert werden, worin ein erfindungsbedingter Vorteil
gesehen wird. Der Grund für diese Möglichkeit liegt darin, daß die Steuermomente in
beiden Drehrichtungen gleich und vor allem sehr niedrig sind. Dies wird hauptsächlich
ermöglicht durch die symmetrische Anordnung der Auslaßdüsen 10 bis 12 und die erfindungsgemäß
ausgeführte Abdichtung 17.
[0009] Die Abdichtung zwischen der Bodenplatte 3 und dem Druckgehäuse 1 über die Labyrinthdichtung
mit den dichtenden Kolbenringen 17 ermöglicht es, mit geringen Steuermomenten auszukommen.
Es tritt nämlich kein stick-slip-Effekt auf, bei dem die beiden gegeneinander zu bewegenden
und abzudichtenden Teile Gefahr laufen würden, daß beim Stillstand die Dichtungen
an einem oder beiden Teilen festbacken und beim Andrehen des einen Teils mit erheblichem
Drehmoment losgerissen und zerstört würden. Obwohl diese Gefahr bei der erfindungsgemäßen
Anwendung der als offene, radial federnde "Kolbenringe" ausgeführten Dichtungsringe
17 nicht besteht, sind sie aus weitestgehend verschleißarmem Kunststoffmaterial in
"offener Bauform" ausgeführt. Sie sind im eingebauten Zustand ähnlich einer Feder
radial vorgespannt. Es tritt keine die Drehung des Laufrads 2 behindernde Reibungserhöhung
durch den Druck in der Druckkammer 6 auf.
[0010] Montage und Demontage des gesamten Antriebs ist bei in der Schiffsstruktur verbleibendem
Druckgehäuse 1 möglich, weshalb das Druckgehäuse 1 als Teil der Tragstruktur 42 des
Schiffes in diese integriert werden kann.
[0011] Als Gegenlauffläche des Rotors, an der die Dichtungen 17 anliegen, dient der bereits
genannte Einsatz 18, der als eingeschweißter oder in sonstiger Weise, beispielsweise
Einschrumpfen, befestigter Schleißring aus nichtrostendem Stahl ausgeführt ist.
[0012] Ersichtlich ist die Innenwand des Topfes bzw Druckgehäuses 1 oberhalb des Einsatzes
18 glatt und absatzlos und bildet die Bodenplatte 3 mit Laufrad 2, Leitapparat 5,
27a, 31 und Druckgehäusedeckel 27 mit Rippen 27a eine Baueinheit, die auf dem oberen
Ende des Druckgehäuses abgestützt und dort mit diesem lösbar verbunden ist, so daß
diese Baueinheit nach dem Lösen der Verbindungen nach oben ausgebaut werden kann.
Am oberen Ende ist die Baueinheit mit dem Druckgehäuse lösbar verbunden. während am
unteren Ende mittels der Dichtungsringe eine horizontal gefederte Abdichtung zum Druckgehäuse
gegeben ist, wobei letztere auch angesichts unvermeidbarer Fertigungsungenauigkeiten,
insbesondere Unrundheiten über lange Betriebszeit hinweg zuverlässig funktioniert.
[0013] Aus den insgesamt geschilderten Vorteilen der Anwendung der federnden, kolbenringartigen
Dichtungsringe 17 ergibt sich, daß es sich hierbei um eine Lösung von erfinderischer
Bedeutung handelt, die von der konkreten Ausbildung insbesondere des Laufrads und
der Topfpumpe unabhängig ist.
[0014] Als optimale Lösung gemäß der Erfindung wurden die drei symmetrisch zur vertikalen
Durchmesserebene 16a angeordneten Druckwasseraustritte 10 bis 12 befunden. Allerdings
kann gegebenenfalls auch mit der einen Auslaßdüse 11 oder dem Auslaßdüsenpaar 10,12
auszukommen sein, solange die eine Auslaßdüse 11 oder das Auslaßdüsenpaar 10,12 symmetrisch
zur Durchmesserebene 16a angeordnet ist bzw. sind.
1. Wasserstrahlantrieb für Schiffe. die zum Einsatz in flachen Gewässern bestimmt
sind, wobei ein halbaxial beschaufeltes Laufrad mit vertikaler Drehachse in einem
brunnenförmigen Druckgehäuse drehbar angeordnet ist, in das von oben her durch eine
Deckelplatte der Antrieb für das Laufrad eingeführt ist, das unten durch eine Bodenplatte
verschlossen ist, die einen konzentrisch in der Mitte angeordneten Wassereinlaß für
die axiale Anströmung des Laufrades und zumindest einen flach geneigten Wasserauslaß
aufweist, wobei zwischen dem Austrittsende der Förderkanäle des Laufrades und dem
zumindest einen Wasserauslaß ein Leitapparat angeordnet ist, in dem die Strömungsenergie
des vom Laufrad geförderten Wassers weitestgehend in Druckenergie umgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (3) vom brunnenförmigen Druckgehäuse (1)
und dessen Deckplatte (27) baulich getrennt ist und daß das Druckgehäuse in die Tragstruktur
(42) des Schiffes als dessen Bestandteil integriert ist, während die Bodenplatte mit
in sie integriertem Wassereinlaß (4) und dem mindestens einen Wasserauslaß (11) um
die Längsachse des Druckgehäuses in beiden Umfangsrichtungen endlos drehbar ist.
2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spaltabdichtung
(17,18) zwischen dem Außenrand der Bodenplatte (3) und dem Druckgehäuse (1).
3. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand
des Druckgehäuses (1) oberhalb des Bereiches der Bodenplatte (3) auf ihrer gesamten
Länge glatt und ohne wesentliche Durchmesserveränderung ist, daß der Durchmesser dem
Durchmesser der Bodenplatte (3) zuzüglich des von Abdichtungen (17) zu überbrückenden
Spaltes ist und daß die Bodenplatte (3) mit dem Laufrad (2) und dem Leitapparat (5,27a,31)
dem Gehäusedeckel (27,27a) zugeordnet ist, der auf dem Druckgehäuse nach oben ausbaubar
abgestützt und lösbar mit ihm verbunden ist.
4. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
eine mittlere Wasseraußlaßdüse (11) und zwei seitliche Wasserauslaßdüsen (10,12) symmetrisch
zu einer vertikalen Durchmesserebene (16a) in die Bodenplatte (3) integriert sind.
5. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der in die Bodenplatte (3) integrierte zentrale vertikale Wassereinlaß (4) von der
strömungsgünstig ausgebildeten Innenwand eines in das Innere des Druckgehäuses (1)
stulpenförmig hineinragenden Leitkörpers (19) begrenzt wird.
6. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende
des Leitkörpers (19) in einem Zylinderabschnitt (31 a) der unteren Deckplatte (31,31
a) des Leitapparates (5,27a,31 ) gelagert ist, dessen obere Deckplatte (27,27a) die
Deckplatte des Druckgehäuses (1) ist.
7. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Deckplatte
(27,27a) eine Ringscheibe (27) ist, auf deren Außenseite zur Versteifung Rippen (27a)
aufgesetzt sind.
8. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung des
Leitkörpers (19) in dem Zylinderabschnitt (31 a) der unteren Deckplatte (31.31 a)
des Leitapparates (5,27a.31) mittels eines wassergeschmierten Drahtlagers (32) erfolgt.
9. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 8. gekennzeichnet durch Filzdichtungen (33,34)
oberhalb und unterhalb des Drahtlagers (32), die wasserdurchlässig, nicht aber schmutzdurchlässig
sind.
10. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abdichtung des Ringspaltes zwischen Druckgehäuse (1) und Bodenplatte (3) durch
drei offene, in sich radial federnde Dichtringe (17) erfolgt, die in einem Zylinderabschnitt
(16) der Bodenplatte gehalten sind und mit Vorspannung an einer verschleißarmen korrosionsbeständigen
zylindrischen Reibplatte (18) am unteren Ende des Druckgehäuses anliegen.
11. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (17)
in Umfangsrichtung so gegeneinander versetzt eingebaut sind, daß jeder der Ringe mit
seinem Stoß hinter einem durchgehenden Abschnitt des auf ihn folgenden Dichtungsrings
liegt.
12. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bodenplatte (3) mittels im Einlaßleitkörper (19) angeordneter Radialstege
(20) auf dem unteren Ende einer Steuerwelle (21) befestigt ist, die koaxial zur Längsachse
des Druckgehäuses (1) durch dieses hindurchgeführt ist, durch die obere Deckplatte
(27,27a) des Druckgehäuses hindurchgeführt ist und oberhalb der oberen Deckplatte
über ein Getriebe (22,23) an einen Steuermotor angeschlossen ist.
13. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwelle
(21) durch die als Hohlwelle ausgebildete Kraftübertragungswelle (35) des Laufrades
(2) koaxial hindurchgeführt ist, die zwischen der Deckplatte (27) des Druckgehäuses
(1) und dem Getriebe (22,23) der Steuerwelle ein Getriebe (36,37) zum Anschluß an
den Antriebsmotor des Laufrades aufweist.
14. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerwelle
(21) und Kraftübertragungswelle (35) koaxial durch ein Rohr (41) hindurchgeführt sind,
das in einem Flansch (29) gehalten ist, der eine konzentrische ringförmige Öffnung
in der Deckplatte (27) des Druckgehäuses (1) zwischen dem Rohr und dem Innenrand der
ringförmigen Deckplatte verschließt und ein domartiges Gehäuse (25) trägt, in dem
die Getriebe (22,23;36,37) von Steuerwelle (21) und Kraftübertragungswelle (35) angeordnet
sind.
15. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungswelle
(35) an jedem Ende des Rohres (41) in einem Drehlager (39,40) geführt ist.