DE1131116B

DE1131116B - Reaction propulsion system for floating bodies, especially for high-speed ships

Info

Publication number: DE1131116B
Application number: DEB51810A
Authority: DE
Inventors: Dr Hermann Hagen; Dr Norbert Scholz
Original assignee: BMW Triebwerkbau GmbH
Current assignee: BMW Triebwerkbau GmbH
Priority date: 1959-01-21
Filing date: 1959-01-21
Publication date: 1962-06-07

Description

Reaktionsantriebsanlage für Schwimmkörper, insbesondere für Schiffe mit hoher Geschwindigkeit Die Erfindung betrifft eine Reaktionsantriebsanlage für Schwimmkörper, insbesondere für Schiffe mit hoher Geschwindigkeit, bei der das Treibwasser einen getunnelten Kanal durchströmt, dessen Eintritt einen Diffusor aufweist, dessen mittlerer Abschnitt eine Axialpumpe zur Beschleunigung des Treibwassers enthält und der von diesem Abschnitt bis zu seiner Austrittsöffnung konvergiert.Reaction drive system for floating bodies, in particular for ships at high speed The invention relates to a reaction drive system for Floating bodies, especially for ships with high speed, in which the driving water flows through a tunneled channel, the inlet of which has a diffuser, the middle section contains an axial pump for accelerating the motive water and which converges from this section to its exit opening.

Derartige Antriebsanlagen sollen die störende Erscheinung der Kavitation an Schiffsschrauben vermeiden, die sich wenig oberhalb einer Geschwindigkeit von 40 Knoten bei freier Anordnung der Schiffsschraube nicht vermeiden läßt. Unter Inkaufnahme der Kavitation läßt sich zwar die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes noch weiter steigern, jedoch sind hiermit wesentliche Nachteile wie starke Erosion an der Schiffsschraube, erhöhter Leistungsbedarf und die Entwicklung starker Unterwassergeräusche verbunden.Such drive systems are supposed to prevent the disturbing phenomenon of cavitation Avoid using propellers that move slightly above a speed of 40 knots cannot be avoided if the propeller is freely arranged. Under acceptance the cavitation can increase the speed of the ship even further, however, there are significant disadvantages such as severe erosion on the propeller, increased power requirements and the development of strong underwater noises.

Eine Sonderbauart des Schraubenschiffvortriebs stellt die in einem röhrenförmigen Kanal arbeitende Schiffsschraube dar, bei der die axiale Geschwindigkeit, mit der das Treibwasser, das durch die Schraubenebene strömt, gegenüber der nicht ummantelten Schiffsschraube in weiten Grenzen verändert werden kann. Hiervon wird bei der bekannten Kort-Düsenschraube in dem Sinn Gebrauch gemacht, daß die Schraube an einer eingeschnürten Stelle des Kanals angeordnet ist und mit einer im Vergleich zur Fahrgeschwindigkeit des Schiffes erheblich erhöhten Geschwindigkeit durchströmt wird. Die Abmessungen und der Wirkungsgrad dieser Vortriebseinrichtung werden dadurch bei langsam fahrenden Schiffen wesentlich günstiger. Für hohe Geschwindigkeiten ist diese Bauart jedoch nicht geeignet.A special type of screw jacking is the one propeller working in a tubular channel, in which the axial speed, with which the motive water that flows through the screw plane, compared to the not jacketed propeller can be changed within wide limits. Of this will made use of the known Kort nozzle screw in the sense that the screw is arranged at a constricted point of the channel and compared with one the speed of the ship is considerably increased will. The dimensions and the efficiency of this propulsion device are thereby much cheaper for slow moving ships. For high speeds however, this type of construction is not suitable.

Ferner ist es bekannt, eine übliche Schiffsschraube in einem getunnelten Kanal anzuordnen. Dadurch wird es zwar möglich, den kavitationsfreien Betrieb auf höhere Geschwindigkeiten auszudehnen, jedoch ist hierbei wegen der ungünstigen Strömungsverhältnisse an den radial weit außengelegenen Bereichen der Schraubenblätter, die von hohen örtlichen Relativgeschwindigkeiten herrühren, eine so weitgehende Herabsetzung der Durchflußgeschwindigkeit im Bereich der Schraube erforderlich, daß die Querschnittsfläche der Antriebsanlage undurchführbare Werte annehmen müßte. Bei echten Axialpumpen, die sich in der Schaufelform von. der eine Sonderbauart darstellenden Schiffsschraube besonders an den radial außengelegenen Bereichen wesentlich unterscheiden, insbesondere bei Axialpumpen,die einen die Schaufelenden verbindenden mitumlaufenden Ring aufweisen, ist eine erheblich günstigere Strömungsverteilung gegeben. Da außerdem normale Axialpumpen gegenüber Schiffsschrauben bei hohen Geschwindigkeiten einen erheblich geringeren Bedarf an Querschnittsfläche aufweisen, wird durch die Erfindung bei einer Reaktionsantriebsanlage der eingangs genannten Art vorgeschlagen, den mittleren Abschnitt des Treibwas, serkanals in Form eines Kreiszylinders auszubilden, dessen Querschnitt als Anströmquerschnitt zur Axialpumpe im Vergleich zum wirksamen Eintrittsquerschnitt so bemessen ist, daß die Wassergeschwindigkeit in ihm zur Axialpumpe auf das 0,6- bis. 0,4fache der Fahrgeschwindigkeit des Schwimmkörpers vermindert wird.It is also known to use a conventional propeller in a tunnel Arrange channel. This makes it possible to operate cavitation-free to extend higher speeds, but this is because of the unfavorable flow conditions on the radially far outward areas of the screw blades, which are of high result from local relative speeds, such a far-reaching reduction in the Flow rate in the area of the screw required that the cross-sectional area the drive system would have to assume unworkable values. With real axial pumps, which is in the shape of a scoop. the ship's propeller, which is a special design particularly differ significantly in the radially outer areas, in particular for axial pumps that have a rotating ring connecting the blade ends, there is a considerably more favorable flow distribution. There are also normal axial pumps compared to propellers at high speeds, a considerably lower rate Having a need for cross-sectional area is made possible by the invention in a reaction drive system proposed of the type mentioned above, the middle section of the propellant, form serkanals in the form of a circular cylinder, the cross section of which as the inflow cross section to the axial pump compared to the effective inlet cross-section is dimensioned in such a way that that the water speed in it to the axial pump to the 0.6 to. 0.4 times the Driving speed of the float is reduced.

Durch die Verwendung einer Axialpumpe in der vorgeschlagenen Weise ergibt sich die Möglichkeit, die Schiffsgeschwindigkeit ganz erheblich weiter zu steigern, ohne daß an der Antriebsanlage Kavitation eintritt und die Abmessungen der Antriebsanlage übermäßig anwachsen müssen. Diese Vorteile ergeben sich daraus, daß infolge großer Schaufelzahl und enger Profilgitter der Axialpumpe auf die Gewichtseinheit des Treibwassers ein hoher Betrag an mechanischer Energie übertragen wird. Dadurch: entsteht ein. Strahl von hoher kinetischer Energie und damit von hohem spezifischem Schub bei kleinen Abmessungen. Die kavitationsfreie Funktion der erfindungsgemäßen Antriebsanlage beruht auf der Erhöhung des Druckes im Treibwasser an der Stelle des größten Querschnittes, die sich aus der Verminderung der Geschwindigkeit an dieser Stelle ergibt. ES wird dadurch vermieden, daß der Druck an den gefährdeten Stellen der Oberfläche der Axialpumpen unter den Dampfdruck des Wassers absinkt. Da Kavitation eine Folgeerscheinung von Dampfbildung an der Oberfläche der gefährdeten Teile ist, kann diese hierbei nicht auftreten.By using an axial pump in the manner suggested there is the possibility of increasing the speed of the ship quite considerably without cavitation occurring in the drive system and the dimensions the drive system must grow excessively. These advantages result from that due to the large number of blades and narrow profile grids of the axial pump on the weight unit a large amount of mechanical energy is transferred to the motive water. Through this: arises a. Beam of high kinetic energy and therefore of high specificity Thrust with small dimensions. The cavitation-free function of the invention Propulsion system is based on the increase in pressure in the drift water at the point of the largest cross-section, resulting from the reduction in speed results at this point. It is avoided that the pressure on the endangered Place the surface of the axial pumps under the steam pressure of the water drops. Because cavitation is a consequence of vapor formation on the surface of the endangered Parts, this cannot occur here.

Die Herabsetzung der Geschwindigkeit des Treibwassers im Kanal kann nach weiteren Merkmalen der Erfindung dadurch erreicht werden, daß sich der Kanal von seiner Eintrittsöffnung bis zu seinem mittleren Bereich diffusorartig erweitert oder daß der Kanal von seiner Eintrittsöffnung bis zum mittleren Bereich mit etwa gleicher Querschnittsfläche ausgebildet ist und seine Eintrittsöffnung von derart geformten Begrenzungen umrahmt ist, daß vor dieser ein freier Diffusor entsteht. Dabei wird durch die Form der Kanaleintrittsöffnung und deren Umrahmung ein Teil des Wassers vom Kanal abgeleitet und das in seine Öffnung eintretende Wasser entsprechend verzögert, so daß sich vor der Einmündung ein gewisser Rückstau mit einem Druckaufbau einstellt.The reduction in the speed of the motive water in the canal can can be achieved according to further features of the invention that the channel widened like a diffuser from its inlet opening to its central area or that the channel from its inlet opening to the central area with about the same cross-sectional area is formed and its inlet opening of such shaped boundaries is framed that a free diffuser is created in front of this. The shape of the channel inlet opening and its framing are a part of this of the water diverted from the channel and the water entering its opening accordingly delayed, so that there is a certain back pressure with a pressure build-up before the confluence adjusts.

Der Treibwasserkanal kann nach einem weiteren Erfindungsgedanken auch in bekannter Weise als ein vom freien Wasser umspültes und damit außerhalb des Bereiches der Grenzschicht- und der Nachlaufströmung des Schwimmkörpers angeordnetes Schubrohr ausgebildet werden, womit eine ungestörte Zuströmung zur Antriebsanlage und ein hoher Wirkungsgrad derselben gesichert wird. Der Kanal kann jedoch auch in ebenfalls bekannter Weise zumindest teilweise. innerhalb der Begrenzungsflächen des Schwimmkörpers liegen, wobei es zweckmäßig ist, die störende Grenzschichtströmung dadurch auszuschalten, d'aß die Eintrittsöffnung des Kanals an der an dem Schwimmkörper anliegenden Seite von dessen Oberfläche abgesetzt und im Zwischenraum zwischen der Eintrittsöffnung und der Oberfläche des Schwimmkörpers eine Rinne angeordnet ist, die durch einen in Fahrtrichtung vorspringenden Wulst gegen die Eintrittsöffnung abgegrenzt ist und beiderseits der Eintrittsöffnung ausläuft, so daß die Grenzschichtströmung durch diese Rinne abgeleitet wird.According to a further concept of the invention, the driving water channel can also in a known way as one bathed by the free water and thus outside the area the boundary layer and the wake flow of the floating body arranged thrust tube be formed, so that an undisturbed flow to the drive system and a high efficiency of the same is ensured. However, the channel can also be in known way at least partially. within the boundaries of the float lying, whereby it is advisable to switch off the interfering boundary layer flow by d'ass the inlet opening of the channel on the side adjacent to the float separated from its surface and in the space between the inlet opening and the surface of the floating body is arranged a channel through a in the direction of travel protruding bead is delimited against the inlet opening and runs out on both sides of the inlet opening, so that the boundary layer flow through this gutter is derived.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1. einen Treibwasserkanal mit eingebauter Axialpumpe und diffusorartiger Erweiterung der Einströmhaube,; Fig:2 einen Treibwasserkanal gemäß Fig. 1, jedoch mit freiem Diffusor vor der Einströmhaube, und Fig. 3 einen teilweise innerhalb des Schiffskörpers angeordneten Treibwasserkanal mit einer Ableitrinne für die Grenzschichtströmung.In the drawing, the invention is based on several exemplary embodiments shown, namely Fig. 1 shows a motive water channel with a built-in axial pump and diffuser-like expansion of the inlet hood; Fig: 2 shows a driving water channel according to FIG. 1, but with a free diffuser in front of the inflow hood, and FIG. 3 shows a Motive water channel partially arranged within the hull with a drainage channel for the boundary layer flow.

In dem vom Treibwasser durchströmten Kanal l mit der Einströmhaube 2 und der Austrittsdüse 3 ist eine ein- oder mehrstufige Axialpumpe 4 angeordnet, die von einer Kraftmaschine 6 angetrieben wird. Ein Austrittsleitkranz 7 ist der Axialpumpe zum Axialrichten der Strömung nachgeschaltet. Das. Laufrad der Axialpumpe 4 ist im Kanal 1 an einer Stelle angeordnet, an der die Geschwindigkeit des durchströmenden Treibwassers auf weniger als das 0,6fache der Fahrgeschwindigkeit des Schiffes verzögert ist. Zur Verzögerung der Treibwassergeschwindigkeit innerhalb des Kanals dient nach Fig. 1 die diffusorartige Erweiterung der Einströmhaube 2, während sich nach Fig. 2 vor der Einströmhaube ein sogenannter freier Diffus,or bildet.In channel 1 through which the motive water flows, with the inlet hood 2 and the outlet nozzle 3 a single or multi-stage axial pump 4 is arranged, which is driven by a prime mover 6. An outlet guide ring 7 is the Downstream axial pump for axially directing the flow. That. Axial pump impeller 4 is arranged in the channel 1 at a point at which the speed of the flowing through Drift water is decelerated to less than 0.6 times the speed of the ship is. To delay the motive water speed within the canal is used after Fig. 1 shows the diffuser-like extension of the inlet hood 2, while according to Fig. 2 in front of the inlet hood a so-called free diffuse, or forms.

Nach Fig. 3, die einen teilweise innerhalb der Umrißfiächen des Schwimmkörpers angeordneten Kanal zeigt, ist an der Schiffswand in Höhe der Einströmöffnung eine Rinne mit Wulst S angeordnet, die die Strömung aus der Grenzschicht des Schwimmkörpers auffängt und an der Einströmöffnung vorbei ableitet.According to Fig. 3, the one partially within the contour areas of the floating body shows arranged channel, is on the ship's wall at the level of the inflow opening Channel with bead S arranged, which the flow from the boundary layer of the floating body catches and discharges past the inflow opening.

Die Ausbildung des Kanals 1 bewirkt eine Verzögerung des Treibwassers im Bereich der Axialpumpe 4, wodurch sich eine Erhöhung des. Druckes ergibt. Diese Druckerhöhung verhindert bis in hohe Geschwindigkeitsbereiche in Zusammenwirkung mit der Verwendung einer Axialpumpe, die besonders gute Strömungsverhältnisse besitzt und bei kleinen Baumaßen hohe Energiezufuhr zum Treibwasser ermöglicht, das örtliche Absinken des Wasserdruckes unter den Dampfdruck. Dadurch wird auch das Auftreten von Kavitation vermieden.The formation of the channel 1 causes a delay in the motive water in the area of the axial pump 4, which results in an increase in the pressure. These Pressure increase prevents in cooperation up to high speed ranges with the use of an axial pump that has particularly good flow conditions and with small dimensions enables high energy supply to the motive water, the local The water pressure drops below the steam pressure. This will also make the occurrence avoided from cavitation.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Reaction drive system for floats, in particular for ships at high speed, where the drifting water tunnels you Flows through channel, the inlet of which has a diffuser, the middle section of which contains an axial pump to accelerate the motive water and that of this section converges up to its outlet opening, characterized in that the middle Section of the channel (1) has the shape of a circular cylinder, the cross section of which as Inflow cross-section to the axial pump (4) compared to the effective inlet cross-section of the channel is so sized; that the water velocity in it to the 0.6- to 0.4 times the speed of travel of the float is reduced.

2. Propulsion system according to claim 1, characterized in that the channel (1) extends from its inlet opening Expanded like a diffuser up to its middle section.

3. Propulsion system after Claim 1, characterized in that the channel (1) from its inlet opening is formed with approximately the same cross-sectional area up to the middle area and its inlet opening is framed by such shaped boundaries that in front of this a free diffuser is created, which reduces the entry speed of the water.

4. Propulsion system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channel (1) in a manner known per se as one surrounded by the free water, outside the area of the boundary layer and the wake flow of the float Thrust tube is formed.

5. Propulsion system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channel (1) is located in a known manner at least partially within the boundary surface of the floating body and the inlet opening on the side adjacent to the floating body is set off from the surface of the floating body and is provided with a channel arranged in the space between the inlet opening and the surface of the float, which is delimited from the inlet opening by a bead (8) protruding in the direction of travel and which runs out on both sides of the inlet opening. Considered publications: German Patent Nos. 645 040, 873 958, 955 030; German Auslegeschrift No. 1013 986; Swiss Patent No. 254134; French Patent No. 1018 053; Yearbook of the Shipbuilding Society, 1950, pp.145 and 151; Book by A. Betz: "Introduction to the Theory of Fluid Flow Machines", 1959, p. 209.