Wasserstrahlantrieb

Abstract

 Gegenstand der Erfindung ist ein Wasserstrahlantrieb für Schiffe, die zum Einsatz in flachen Gewässern bestimmt sind. Ein halbaxial beschaufeltes Laufrad (3) mit vertikaler Drehachse ist in einem brunnenförmigen Gehäuse (1) drehbar angeordnet. In das Gehäuse ist von oben her durch eine Deckelplatte der Antrieb (4) für das Laufrad (3) eingeführt und unten ist das Gehäuse durch eine Bodenplatte (6) verschlossen, die einen in der Mitte angeordneten Wassereinlaß (7) für die axiale Anströmung des Laufrades (3) und zumindest einen flach geneigten Wasserauslaß (8,9,10) aufweist. Zwischen dem Austrittsende der Förderkanäle des Laufrades (3) und dem zumindest einen Wasserauslaß ist ein Leitapparat (5) angeordnet, in dem das vom Laufrad (3) geförderte Wasser ohne Umsetzung von Strömungsenergie in Druckenergie der zumindest einen Auslaßdüse zugeführt wird. Der Leitapparat bildet einen Ringkanal ohne Beschaufelung. Der Wassereinlaß (7) ist asymmetrisch ausgebildet. Die Bodenplatte mit in sie integriertem Wassereinlaß (7) und dem mindestens einen Wasserauslaß (8-10) ist um die Längsachse des Gehäuses (1) in beiden Umfangsrichtungen endlos drehbar, entweder als Teil des insgesamt drehbaren Gehäuses oder gegenüber dem Gehäuse, das in letzterem Fall Teil der tragenden Schiffskonstruktion sein kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Wasserstrahlantrieb gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei solchen sogenannten "Topfpumpen" ist der Leitapparat ein feststehender Schaufelkranz, bei dem die Schaufeln so angeordnet sind, daß in den Schaufelkanälen bzw. dem Leitapparat Strömungsenergie weitestgehend in Druckenergie umgesetzt wird. Die vorzugsweise hinter der Ebene des flachen Schiffbodens angeordnete Antriebsvorrichtung saugt Wasser aus dem Bereich unterhalb des Schiffbodens an, das angesaugte Wasser wird im Laufrad beschleunigt, so daß es am Austritt des Laufrades eine hohe kinetische Energie hat, die am Austritt aus dem Leitapparat in Druckenergie umgewandelt ist, nach dem Austritt aus dem Leitapparat und im Druckgehäuse also eine hohe Druckenergie hat und dieser hohen Druckenergie wegen an jeder beliebigen Stelle des Druckgehäuses aus dem Druckgehäuse aus- und in Auslaßdüsen eintreten kann, die die Austrittsrichtung des den Vortrieb des Schiffes bewirkenden Wasserstrahles bestimmen. Der Vorteil dieser Lösung ist die freie Wahl für die Anordnung der Auslaßdüsen, der Nachteil ist einen relativ aufwendige Bauweise (DE-A-4021340).

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung einer gattungsgemäßen Antriebseinrichtung derart, daß sie baulich einfacher und leichter als die bekannte Lösung ist.

[0004] Der Lösung der Aufgabe dient die Ausbildung eines gattungsgemäßen Wasserstrahlantriebs gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1, mit den Merkmalen der Unteransprüche wird der erfindungsgemäße Antrieb in zweckmäßiger Weise weiter ausgebildet.

[0005] Ein erfindungsgemäßer Wasserstrahlantrieb ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1

eine Ansicht auf die untere Deckplatte des Antriebs,

Fig. 2

einen Mittellängsschnitt durch den Antrieb und

Fig. 3 und Fig. 4

einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1,2 bzw. IV-IV in Fig. 1.

[0006] Die wesentlichen Bauteilgruppen des erfindungsgemäßen Wasserstrahlantriebs sind das topfförmige Pumpengehäuse 1, das halbaxial verlaufende Schaufel- bzw. Strömungskanäle zwischen seinen Schaufeln 2 bildende Pumpenlaufrad 3, der Antrieb 4 des Laufrades, der Leitapparat 5 und eine untere Deckplatte 6, in die in der Mitte der Wassereinlaß 7, eine mittlere Auslaßdüse 8 und zwei seitliche Auslaßdüsen 9,10 integriert sind. "Halbaxial beschaufelt" besagt, daß das Laufrad 3 axial angeströmt wird und das mit Strömungsenergie versehene Wasser das Laufrad verläßt und in den Leitapparat eintritt unter einem Winkel, der gegenüber der Laufraddrehachse geringer als 90° ist. Der Antrieb 4 kann konventionell sein, so daß auf seine Beschreibung verzichtet werden kann. Er ist auf einen Deckel des Pumpengehäuses 1 aufgesetzt und ragt in das Pumpengehäuse hinein, um dort mit dem Laufrad 3 drehfest verbunden zu sein. Er kann beispielsweise dem in DE-A-4021340 vorgesehenen Antrieb gleichen. Im Einlaß 7 kann ein relativ weitmaschiges Einlaßgitter 11 angeordnet sein, das deswegen relativ weitmaschig sein kann, weil der Antrieb infolge des Fehlens eines beschaufelten Leitapparates gegenüber im Wasser mitgeführten Fremdpartikeln unempfindlicher ist als ein Antrieb mit einem beschaufelten Leitapparat.

[0007] Der Leitapparat ist nun erfindungsgemäß ein unbeschaufelter Ringdiffusor mit einem Austrittswinkel zur Laufradachse zwischen etwa 160 und 200°, vorzugsweise 180°. Der Ringdiffusor bzw. Leitapparat 5 wird unmittelbar außen von der Gehäuseaußenwand 12 und innen vom Laufradgehäuse 13 gebildet. Er ist rotationssymmetrisch und weist keine Einbauten auf. Er gewährleistet eine lange Führung zu den Auslaßdüsen 8,9 und 10. Der Querschnittsverlauf des Leitapparates ist konstant, gegebenenfalls sogar abnehmend.

[0008] Der Einlauf ist asymmetrisch mit einem Endkreis 14 und einem diesem gegenüber versetzten anderen Endkreis 15. Die asymmetrische Ansauggeometrie ist so ausgelegt, daß ein kavitationsarmer Einlauf bei den am häufigsten auftretenden Betriebszuständen gegeben ist.

[0009] Die erfindungsgemäße Ausbildung vermeidet Eintrittsverluste und gewährleistet geringe Austrittsverluste im Diffusor, Reibung erfolgt nur an den Diffusorwänden und nicht auch an Schaufelwänden. Die lange, zu den Auslaßdüsen 8 bis 10 hin ausgerichtete Strömung im Diffusor ermöglicht die exakte Einhaltung eines gewollten Strömungsverlaufes. Die Ringdiffusorausbildung mit sowohl radialer als auch axialer Wirkrichtung führt zu einem relativ kleinen Gehäuse- bzw. Brunneninnendurchmesser. Dadurch wiederum ist eine kompakte Bauweise bei hoher Schubausbeute möglich. Dadurch ergeben sich weiter relativ große Strömungsquerschnitte, was ebenfalls zu hoher Schubausbeute bei konstantem Gehäuse- bzw. Brunnendurchmesser (in Relation zu bekannten Lösungen mit beschaufeltem Leitapparat), darüber hinaus geringer Kavitationsneigung und Verschmutzungsgefahr mit der Notwendigkeit allenfalls eines grobmaschigen Ansauggitters führt. Der asymmetrische Einlauf bewirkt eine nur geringe Neigung zur Einlaufkavitation zumindest in den am häufigsten auftretenden Betriebszustand. Der rotationssymmetrische Diffusor ohne Schaufeln, die Diffusorbildung unmittelbar durch Gehäusewand und Laufradgehäuse bedeuten einen verhältnismäßig geringen Fertigungsaufwand und führen zu geringem Gewicht, was besonders bei großen Antrieben wichtig ist.

[0010] Der Querschnittsverlauf im Diffusor ist optimierbar, die Umlenkradien sind so zu bestimmen, daß trotz der fehlenden Leitschaufeln eine ablösungsfreie Durchströmung des Diffusors gewährleistet ist.

[0011] Der gesamte Wasserstrahlantrieb ist in bekannter Weise um die Längsachse des Laufrades 7 in beiden Umfangsrichtungen uneingeschränkt bzw. endlos drehbar, um die Austrittsrichtung der Wasserstrahlen und damit die Vortriebsrichtung des angetriebenen Wasserfahrzeugs bestimmen zu können. Zum gleichen Zweck kann die Bodenplatte 6 mit den Düsen 8 bis 10 und dem Einlaß 7 in entsprechender Weise gegenüber dem Gehäuse 1 drehbar sein, das in diesem Fall als mittragende Baugruppe in die tragende Schiffskonstruktion integriert sein kann.

[0012] Die Auslaßdüsen 8 bis 10 gewährleisten in allen Fällen, daß Wasserstrahlen unter einem flachen Winkel den Antrieb verlassen, wie es insbesondere Fig. 3,4 entnehmbar ist. Wesentlich ist also bei der Erfindung, daß der Leitapparat ein unbeschaufelter Ringdiffusor mit einem Austrittswinkel zur Laufradachse zwischen etwa 160° und 200°, vorzugsweise 180° ist.

[0013] Durch den von den Leitschaufeln gebildeten Schaufelkranz ist die bekannte Antriebseinrichtung (DE-A-4021340) relativ schwer, was insbesondere bei großem Durchmesser der Antriebseinrichtung, also bei Antriebseinrichtungen hoher Leistung, nachteilig ist. Kennzeichnend ist dabei, daß der Leitapparat mit dem Leitschaufelkranz ausschließlich in radialer Richtung wirkt, wodurch die Schaufelkanäle eine große Länge haben müssen, wodurch die Antriebseinrichtung einen relativ großen Durchmesser hat, was, wie erwähnt, zu einem hohen Gewicht führt und zu Einbauproblemen führen kann, indem von der Antriebseinrichtung Platz beansprucht wird, der als Nutzraum verloren geht.

[0014] Bereits durch den Wegfall der Schaufeln gegenüber dem Stand der Technik (DE-A-4021340) mit dem beschaufelten Leitapparat wird der erfindungsgemäße Ringdiffusor erheblich leichter, was besonders bei großen Maschinen wichtig ist. Der erfindungsgemäß schaufellose Ringdiffusor wird so ausgebildet, daß die Wirkrichtung nicht nur radial, sondern auch axial ist. Das bedeutet, daß gegenüber einem Antrieb mit beschaufeltem Leitapparat bei gleicher Schubausbeute das Gehäuse kleiner und leichter wird bzw. ein höherer Schub bei gleichen Außenabmessungen und reduziertem Gewicht erreicht wird. Letztere Version führt durch die dann größeren Strömungsquerschnitte zu einer Senkung der Kavitationsgefahr und der Verschmutzungsneigung.

[0015] Dadurch, daß der Ringdiffusor bzw. Leitapparat 5 unmittelbar außen von der Gehäuseaußenwand 12 und innen vom Laufradgehäuse 13 gebildet wird, sind keine gesonderten Bauteile zu ihrer Gestaltung nötig, was ebenfalls einen effizienten Wasserstrahlantrieb geringen Gewichts in kompakter einfacher Bauweise möglich macht. Der erfindungsgemäß ausgebildete Wasserstrahlantrieb gewährleistet eine lange Führung zu den Auslaßdüsen 8,9 und 10. Der Querschnittsverlauf des Leitapparates kann zunehmend sein dergestalt, daß eine weitere Umsetzung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie erreicht wird. Vorzugsweise ist jedoch der Querschnittsverlauf gleichbleibend oder sogar abnehmend, so daß die kinetische Energie der Strömung unmittelbar ausgenutzt werden kann.

[0016] Im unbeschaufelten Leitapparat bleibt die Drallkomponente, also die in Umfangrichtung weisende Komponente der aus dem Laufrad austretenden Strömung stärker erhalten als es bei einem gemäß dem Stand der Technik beschaufelten Leitapparat möglich ist.

Ansprüche

1. Wasserstrahlantrieb für Schiffe, die zum Einsatz auch in flachen Gewässern bestimmt sind, wobei ein halbaxial beschaufeltes Laufrad mit vertikaler Drehachse in einem brunnenförmigen Pumpengehäuse 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 in der Mitte angeordneten Wassereinlaß für die axiale Anströmung des Laufrades und zumindest eine flach geneigten Wasserauslaß aufweist, wobei zwischen dem Austrittsende der Förderkanäle des Laufrades und dem zumindest einen Wasserauslaß ein Leitapparat angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat einen zwischen dem Pumpengehäuse (12) und dem Laufradgehäuse (13) konzentrisch zur Laufradachse angeordneten schaufellosen Ringkanal aufweist, in dem die Strömung aus der halbaxialen Richtung beim Verlassen des Laufrades (3) in eine Austrittsströmung gebracht wird, die mit der Anströmrichtung einen Winkel etwa zwischen 160 und 200° einschließt.

2. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsverlauf des Ringkanals konstant oder in Strömungsrichtung abnehmend ist.

3. Wasserstrahlantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Ringkanals unmittelbar vom Pumpengehäuse (12) bestimmt wird.

4. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur des Ringkanals unmittelbar vom Laufradgehäuse (13) bestimmt wird.

5. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal abströmseitig in Auslaßdüsen (8-10) mündet, die in eine Deckplatte (6) des Antriebsgehäuses integriert sind.

6. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpeneinlauf (7) asymmetrisch und vorzugsweise in der Deckplatte (7) angeordnet ist.

7. Wasserstrahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb in seiner Gesamtheit um die Längsachse bzw. die Drehachse des Laufrades (3) schwenkbar ist.

Zeichnung