DE102009040471B4

DE102009040471B4 - Mechanisch angetriebener Schiffpropulsor mit hohem Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE102009040471B4
Application number: DE102009040471.6A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Abdel-Maksoud Moustafa
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: KR20120050520A; JP2013503784A; DE102009040471A1; CN102686477A; WO2011029550A1; CN102686477B; KR101849312B1

Abstract

Mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor mit hohem Wirkungsgrad, der zumindest einen Rotor (4, 5) mit Flügeln (10) in einem Ring aufweist, wobei der mit einem Zahnkranz (19, 20) ausgestattete Rotor (4, 5) mit der Schiffsmaschine über eine Welle (1) mit Ritzel (2, 6) zur Übertragung einer Drehbewegung verbunden ist, wobei der Rotor (4, 5) in einer Düse (8) angeordnet ist, und wobei die rotierenden Flügel (10) des Rotors (4, 5) winkelverstellbar ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder rotierende Flügel (10) des Rotors (4, 5) einzeln winkelverstellbar ist, dass während jeder Umdrehung des Rotors (4, 5) eine ständige Anpassung der Winkelstellung jedes einzelnen Flügels (10) mit Hilfe von Schiebern (11a, 11b) und Führungsschienen (13, 15) an die lokalen Strömungsbedingungen erfolgt, und dass die Neigung des Propulsors an die Strömungsrichtung anpassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanisch angetriebenen Schiffspropulsor mit hohem Wirkungsgrad nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Schiff nach Patentanspruch 13.
Vortriebsorgane für Schiffe sind in vielfältiger Ausgestaltung bekannt, z. B. in Form von Schiffspropellern. Die herkömmlichen Festpropeller haben den Nachteil, dass sie in der Mitte eine Nabe erfordern, an welcher die Propellerblätter angebracht sind. Besonders groß sind die Naben von sog. Verstellpropellern, d. h. also von Propellern, deren Propellerflügel während des Betriebs in Bezug auf ihre Winkelstellung (Steigungswinkel) verändert werden können.
Des Weiteren erfordern die bekannten Schiffspropeller vorwiegend bei Zweischraubern Lagerböcke und Antriebswellen, die Wirbel und damit Widerstand erzeugen, der so klein wie möglich gehalten werden muss.
Einen guten Propulsionswirkungsgrad zu erreichen, ist eine seit jeher bestehende Aufgabe. Es ist bisher aber nicht gelungen, einen Wirkungsgrad des Systems Propeller – Schiff über 75% zu erreichen, da auch die Einflüsse der Spitzenwirbelkavitation bei den umlaufenden Propellerblättern berücksichtigt werden müssen.
Neben den genannten Propellern mit ihren Nachteilen sind auch sog. Rim-Drive-Thruster bekannt geworden. Hier handelt es sich um Außenläufer, deren Flügel von einem außen angetriebenen Ring nach innen weisen. Die modernen Rim-Drives sind im Allgemeinen elektrisch angetrieben und weisen einen elektrischen Ringmotor auf. Hierdurch ergibt sich eine sehr kompakte Bauform, die es insbesondere ermöglicht, derartige Einrichtungen als Bugstrahlruder vorzusehen. Die bekannten elektrischen Rim-Drives sind auf den ersten Blick bestechend, weisen aber einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf, da die Einzelwirkungsgrade der Erzeugung von Elektroenergie und ihre Umwandlung in Drehenergie einen schlechten Gesamtwirkungsgrad ergeben.
Aus der DE 18 08 637 A und der DE 197 17 175 A1 ist ein Schiffspropulsor bekannt, der mechanisch angetrieben wird und bei dem ein Rotor mit in einem Ring angeordneten Flügeln vorgesehen ist. Der Rotor ist mit der Schiffsmaschine über eine Antriebswelle verbunden.
Aus der US 3 361 107 A ist ein Schiffspropeller mit auf einer Nabe sitzenden Flügeln bekannt, die in einem Ring angeordnet sind. Der Ring hat einen Außenzahnkranz, der von einem auf einer Abgangswelle eines Motors sitzenden Ritzel antreibbar ist.
Aus der JP S58-126 286 A ist ein Schiffspropeller mit auf einer Nabe sitzenden Flügeln bekannt, die in einer verstellbaren Ringdüse beweglich gehaltert sind. Die Ringdüse ist in Richtung der Propellerachse beweglich und hat eine den Flügelhalterungen zugeordnete Führung, mittels der die Flügel bei einer Bewegung der Ringdüse in Richtung der Propellerachse simultan verstellbar sind.
Aus der US 4 648 788 A und der FR 2 243 864 A1 sind Schiffspropeller bekannt, bei denen die Flügel in einem Außenring gehaltert sind. Mittels einer in den Außenring integrierten Verstellvorrichtung sind die Flügel simultan verstellbar.
Aus der US 3 101 066 A sind auf dem Außenmantel eines Rotors einzeln mittels Schiebern und Führungsschienen winkelverstellbare rotierende Flügel bekannt, wobei jeder einzelne Flügel in seiner Winkelstellung während jeder Umdrehung des Rotors anpassbar ist.
Aus der US 2 605 606 A ist ein mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor mit hohem Wirkungsgrad bekannt, zu dem ein Rotor gehört, an dem Flügel angeordnet sind, wobei diese Flügel an der zylindrischen Innenwandung des ringförmig ausgebildeten Rotors sitzen. Die mechanische Verbindung zwischen dem Rotor und der Schiffsmaschine erfolgt über eine Welle mit Ritzel. Hierdurch wird auf den Rotor eine Drehbewegung übertragen. Der Rotor ist innerhalb einer Düse angeordnet. Die mit dem Rotor rotierenden Flügel des Rotors sind in Bezug auf den Rotor winkelverstellbar.
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen mechanisch angetriebenen nabenlosen Schiffspropulsor mit hohem Wirkungsgrad derart weiterzubilden, dass sein Wirkungsgrad im Vergleich zum Stand der Technik erheblich erhöht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Schiff mit den Merkmalen des des Patentanspruchs 13 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Wirkungsgrad des Propulsors noch einmal erheblich gesteigert werden, da die unterschiedlichen Strömungsbedingungen des Wassers im Propulsor berücksichtigt werden können. Die Beschleunigung des Wassers im Propulsor kann so unabhängig von den Einströmbedingungen optimiert erfolgen. Das wirkt sich positiv auf den erzeugten Schub aus. Desgleichen wirkt sich positiv aus, wenn die Neigung des Propulsors an die Strömungsrichtung des das Schiff umströmenden Wassers eingestellt wird.
Durch die Verwendung von Schiebern ergibt sich eine robuste und zuverlässige mechanische Lösung für die Winkelstellung, wobei z. B. von den Voith-Schneider-Antrieben bekannt ist, dass mit Mechaniken eine hohe Betriebszuverlässigkeit erreicht werden kann.
Eine hohe Betriebszuverlässigkeit ergibt sich auch, wenn die Winkelstellung durch Exzentertriebe erfolgt. Diese sind besonders robust und in vielen Maschinentypen erprobt, z. B. bei Pressen mit Hubhöhenverstellung.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung der Winkelstellung an die lokalen Strömungsbedingungen durch elektrische Stellmotoren erfolgt. Elektrische Stellmotoren, insbesondere in der Ausführung als permanent erregte Ringmotoren, weisen ebenfalls eine hohe Betriebszuverlässigkeit auf und haben den Vorteil, dass ihre Schwenkgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Winkelstellung geregelt eingestellt werden kann.
Der Verstellbereich der Flügel ist so konzipiert, dass von Vorwärts- auf Rückwärtsschub umgeschaltet werden kann.
Für den Antrieb selbst wird sehr vorteilhaft ein Rotor gewählt, der einen außen liegenden Zahnkranz aufweist und wobei die Zähnezahl desselben und des Ritzels derart gewählt ist, dass kein Getriebe zwischen Propulsor und Schiffsmaschine notwendig ist. Auch durch diese Maßnahme kann der Wirkungsgrad des Antriebs nicht unerheblich gesteigert werden, so dass sich ein bisher unerreicht hoher Wirkungsgrad des Schiffsantriebs ergibt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Propulsor als Doppelpropulsor ausgebildet ist, dass also zwei Propulsoren nebeneinander liegend vorgesehen sind. Hierdurch ergibt sich eine sehr vorteilhafte Verbesserung des Abströmverhaltens vom Schiff, da sich die Strömung an das Schiffsheck anlegen kann.
Die Neigung der Antriebswelle kann der Richtung der Zuströmung angepasst werden. Dies hat eine Tieferlegung der Maschine zur Folge, wodurch sich der Massenschwerpunkt nach unten verlagert, was sich vorteilhaft auf die Stabilität des Schiffes auswirkt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Propulsor zwei in Strömungsrichtung des Wassers hintereinander liegende, gegenläufige Rotoren aufweist. So ergibt sich sehr vorteilhaft, dass der aus dem Propulsor austretende Wasserstrahl keine Rotation mehr aufweist, dass also auch die Rotationsenergie des Wasserstrahls für die Propulsion genutzt wird.
In einer besonders einfachen Ausführung ist vorgesehen, dass auf den zweiten Rotor verzichtet wird, der sich im Strahl des vorderen Rotors befindet, und stattdessen ein nicht drehender Leitschaufelkranz (Stator) verwendet wird. Dessen Flügel erlauben eine generelle Anpassung der Winkelstellung an Veränderungen der Anströmung, z. B. durch Änderung der Schubrichtung oder Bodeneffekte im Flachwasser.
Schiffsantriebe, die kontrarotierende Propellerblätter aufweisen, werden in der Regel von der Fachwelt nicht empfohlen, da hier mit einer hohen Kavitationsgefahr zu rechnen ist. Da es sich bei dieser Kavitation aber um eine Spitzenwirbelkavitation handelt und ein erfindungsgemäßer Propulsor keine entsprechenden Propellerblattspitzen (Flügelspitzen) im Außenradius aufweist, ist hier nicht mit einer entsprechenden Kavitationsgefahr zu rechnen. Es kann also ohne Weiteres eine wirkungsgradverbessernde kontrarotierende Anordnung der Elemente, die das Wasser beschleunigen, genommen werden. Es ist dabei auch möglich, einen nicht drehenden Leitschaufelkranz zu verwenden. Ein nicht drehender Leitschaufelkranz ergibt natürlich nicht den gleichen sehr guten Wirkungsgrad wie ein rotierender Rotor. Die Anbindung der Flügelwurzel an den Außenzahnkranz ist kugelförmig gestaltet, um bei Änderung des Anstellwinkels des Flügels eine Spaltbildung und damit Kavitation zu vermeiden.
Zur hydrodynamischen Verbesserung, verglichen mit einem herkömmlichen Schiffspropeller, ist vorgesehen, dass die Düse in den Schiffsboden zumindest teilweise integriert ist und dass auch die Antriebswelle zumindest teilweise im Doppelboden des Schiffes angeordnet ist. So ergibt sich eine besonders widerstandsarme Ausbildung der Schiffsunterseite im Heckbereich, die zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads des Systems Schiff – Schiffsantrieb beiträgt.
Zur weiteren Verbesserung des Systems Propulsor – Schiff ist vorgesehen, dass die Drehzahl und die Flügelstellung des Propulsors in Bezug auf die Einflüsse der Zuströmung zum Propulsor auf den Schiffswiderstand optimiert wird, wozu die Trimmlage und der Beladungszustand des Schiffes sowie weitere Einflußgrößen, wie z. B. (Bewuchs) und der Zustand des Unterwasserschiffs mit einbezogen werden können. So werden auch die Einflüsse, die außerhalb des Propulsors liegen und die ebenfalls den Wirkungsgrad beeinflussen, mit berücksichtigt. Die Regeleinrichtung weist vorteilhaft einen nicht flüchtigen Speicher auf, in den Vergleichsbedingungen eingehen, insbesondere die Trimmlage und der Beladungszustand, und dessen Inhalt dem Schiffsbetrieb in Bezug auf den Propulsor zugrunde gelegt werden kann.
Die vorstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen mechanisch angetriebenen nabenlosen Schiffspropulsor beschriebenen Vorteile ergeben sich in entsprechender Weise für ein Schiff, welches gemäß Patentanspruch 13 als Antrieb einen entsprechend gestalteten Propulsor verwendet.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen weitere, auch erfinderische, Einzelheiten ersichtlich sind.
Es zeigen:
1 ein schematisches Beispiel für eine Hinterschiffskonfiguration;
2 die Leistungsübertragung zu den Rotoren in Seitenansicht;
3 die Anbindung der Flügel an die Rotoren, ebenfalls in Seitenansicht;
4 die Steuerung der Anstellwinkel der Flügel in Vorderansicht; und
5 die Steuerung der Schubrichtung in Aufsicht in Vergrößerung.
In 1, die eine besonders strömungsgünstige Hinterschiffskonfiguration zeigt, bezeichnet 21 den Schiffsboden und 20 den Außenzahnkranz eines Rotors. 10 bezeichnet die Flügel der Rotoren und 8 die Düse, in der die jeweiligen Rotoren laufen. Zwischen den beiden Rotoren kann sich eine Kielverlängerung nach unten, das sog. Totholz, erstrecken. Nicht gezeigt sind ggf. verwendete Reinigungsvorrichtungen für die Ritzel und die Außenzahnkränze, z. B. Hochdruckreinigungsdüsen, die insbesondere nach einer längeren Hafenliegezeit zur Reinigung der Ritzel und Zahnkränze verwendet werden können.
In 2, die nähere Einzelheiten des Leistungsübertragungsstrangs zu den Rotoren zeigt, bezeichnet 1 die Antriebswelle des jeweiligen Rotors mit einem Zahnrad 2 für die Übertragung der Leistung für den ersten Rotor und 3 ein Zahnrad für die Änderung der Drehrichtung. 4 bezeichnet den ersten Rotor und 5 den zweiten Rotor. 6 bezeichnet das Zahnrad für die Übertragung der Leistung für den zweiten Rotor und 8 die Düse, in denen die Rotoren laufen. 7 bezeichnet die Lager für die Rotoren, wobei die Drehrichtung der Rotoren mit 17 und 18 angegeben ist. 20 bezeichnet schließlich den Zahnkranz für den hinteren Rotor, während 19 den Zahnkranz für den vorderen Rotor bezeichnet. Der Zahnkranz für den hinteren Rotor kann entfallen, wenn keine kontrarotierende Konfiguration gewählt wird, sondern ein Stator verwendet wird.
In 3, die die Anbindung der Flügel an die Rotoren in Seitenansicht zeigt, bezeichnet 10 die einzelnen Flügel. Aus dieser Figur ist auch ersichtlich, dass keine mittlere Nabe benötigt wird. Dies verbessert die Strömungsverhältnisse und ermöglicht einen offenen Durchfluss in der Mitte der Düse. Die Steuerung der Flügelstellung erfolgt über Schieber. Diese sind auf dem Rotor befestigt, drehen sich also mit. 13 bezeichnet die Führungsschiene für einen Schieber, wobei besonders vorteilhaft ist, dass jeder Rotor nur eine Führungsschiene aufzuweisen braucht. Mit 16 sind Rollen für die Fixierung des Schiebers an der Führungsschiene bezeichnet. Die Drehrichtung der Rotoren ist mit 17, 18 angegeben, wobei die Drehrichtung des hinteren Rotors entfallen kann, falls keine kontrarotierende Konfiguration, sondern ein Stator verwendet wird. Mit 19 ist ein Drehzahnrad für den vorderen Rotor bezeichnet und mit 20 ein Drehzahnrad für den hinteren Rotor. Diese kann natürlich entfallen, wenn keine kontrarotierende Konfiguration verwendet wird.
4 zeigt die Steuerung der Anstellwinkel der Flügel in Vorderansicht und in vergrößertem Maßstab. Der Flügel 10 dreht sich in dem Lager 7, in Bezug auf seine Drehung angetrieben durch das Zahnrad 12. 11a und 11b bezeichnen die bereits erwähnten Schieber mit Führungsschienen. 4 und 5 bezeichnen den Ring und das Zahnrad des ersten Rotors bzw. den Ring und das Zahnrad des zweiten Motors. 11a ist der Führungsschieber für die Steuerung des Anstellwinkels, wie bereits erwähnt.
5 zeigt Einzelheiten der Steuerung der Flügel.
Von besonderem Vorteil des erfindungsgemäßen Propulsors ist es, dass eine stufenlose Steuerung der Schubrichtung möglich ist. In der Aufsicht sind die Einströmrichtungen für das Wasser mit 0 bezeichnet und die Drehrichtung des vorderen Rotors mit 17 bzw. des hinteren Rotors mit 18.
Wie die 5 zeigt, handelt es sich um zwei Führungsschienensysteme, die in axialer Richtung zueinander oder voneinander weg verschoben werden. Dadurch ist die Schubrichtung stufenlos steuerbar, d. h. der Antrieb kann die Richtung des Schubes von vorwärts auf rückwärts ändern, ohne die Drehrichtung der Antriebswelle zu wechseln. So kann der Betriebspunkt des jeweiligen Rotors dem optimalen Betriebspunkt der Hauptmaschine angepaßt werden.
Zusammenfassend ergeben sich bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
Reduzierung der Kavitation durch eine genaue Anpassung der Anstellwinkel der Flügel an die lokalen Strömungsverhältnisse.
Hoher Wirkungsgrad aufgrund der Aufteilung der Antriebsleistung auf zwei Rotoren, d. h., Halbierung des Schubbelastungsgrades.
Hoher Wirkungsgrad durch Verwendung des Gegenlaufprinzips (Kontrarotation), Nutzung der Drallenergie des ersten Rotors zur Erzeugung von mehr Schub durch den zweiten Rotor, ohne die Nachteile der üblichen kontrarotierenden Propeller.
Einfache mechanische Steuerung der Anstellwinkel der Rotorflügel, verglichen mit einem konventionellen Verstellpropeller bei Wegfall der Propellernabe.
Durch die Anpassung der Anstellwinkel der Flügel ist eine Verwendung einer Flügelform mit einem Skew-Verlauf nicht notwendig. Dadurch Reduzierung der Herstellungskosten für die Flügelgeometrie.
Höhere Manövrierbarkeit des Schiffes durch genaue Steuerung der Schubrichtung.
Höhere Redundanz aufgrund der Nutzung von zwei Rotoren pro Antrieb.
Höhere Sicherheit gegen Beschädigungen der Antriebswelle, da sie sich im Schiffsrumpf befindet. Das Gleiche gilt für die Rotoren, da sie sich in einer Düse befinden, die in den Schiffsrumpf integriert ist.
Der Antrieb ist verständlicherweise komplizierter als ein Propellerantrieb mit Festpropellern, aber die Mechanik der erfindungsgemäßen Antriebe ist ebenso beherrschbar, wie die von Voith-Schneider-Antrieben. Der Wirkungsgrad ist jedoch gegenüber Voith-Schneider-Antrieben deutlich höher und in der Ausführung mit zwei Propulsoren nebeneinander, der bevorzugten Ausführung, ergibt sich auch ein guter Geradeauslauf des Schiffes, wobei auch eine Unterstützung einer Drehbewegung durch die unterschiedliche Schubeinstellung der beiden Propulsoren möglich ist.

Claims

Mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor mit hohem Wirkungsgrad, der zumindest einen Rotor (4, 5) mit Flügeln (10) in einem Ring aufweist, wobei der mit einem Zahnkranz (19, 20) ausgestattete Rotor (4, 5) mit der Schiffsmaschine über eine Welle (1) mit Ritzel (2, 6) zur Übertragung einer Drehbewegung verbunden ist, wobei der Rotor (4, 5) in einer Düse (8) angeordnet ist, und wobei die rotierenden Flügel (10) des Rotors (4, 5) winkelverstellbar ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder rotierende Flügel (10) des Rotors (4, 5) einzeln winkelverstellbar ist, dass während jeder Umdrehung des Rotors (4, 5) eine ständige Anpassung der Winkelstellung jedes einzelnen Flügels (10) mit Hilfe von Schiebern (11a, 11b) und Führungsschienen (13, 15) an die lokalen Strömungsbedingungen erfolgt, und dass die Neigung des Propulsors an die Strömungsrichtung anpassbar ist.
Propulsor nach Anspruch 1, bei dem die ständige Anpassung der Winkelstellung jedes einzelnen Flügels (10) an die Zuströmbedingungen in der Düse (8) erfolgt.
Propulsor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Anpassung der Winkelstellung an die lokalen Strömungsbedingungen durch Exzentertriebe erfolgt.
Propulsor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Anpassung der Winkelstellung an die lokalen Strömungsbedingungen durch elektrische Stellmotoren bzw. hydraulische Aktuatoren erfolgt.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Rotor (4, 5) einen außen liegenden Zahnkranz (19, 20) aufweist, wobei die Zähnezahl des außen liegenden Zahnkranzes (19, 20) und des Ritzels (2, 6) derart gewählt ist, dass kein Getriebe zwischen Propulsor und Schiffsmaschine notwendig ist.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der als Doppelpropulsor ausgebildet ist.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der zwei in Strömungsrichtung des Wassers hintereinander liegende Rotoren (4, 5) aufweist, die vorzugsweise als kontrarotierende Rotoren (4, 5) ausgebildet sind.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in Strömungsrichtung vor einem Rotor (4, 5) ein nicht drehender Leitschaufelkranz (Stator) angeordnet ist, dessen Flügel eine situationsbedingte Anpassung der Winkelstellung an Veränderungen der Anströmung, z. B. durch Bodeneffekte im Flachwasser oder Änderung der Schubrichtung, erlauben.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Düse (8) in den Schiffsboden (21) bzw. in das Totholz zumindest teilweise integriert ist.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Welle (1) zumindest teilweise im Doppelboden des Schiffes oder in der Gondel bzw. im Totholz angeordnet ist.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der eine Regeleinrichtung aufweist, die eine Einstellung der Flügel (10) derart vornimmt, dass optimale Betriebsbedingungen der Schiffsmaschine erreicht werden.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der eine Regeleinrichtung aufweist, die Drehzahl und Schaufelstellung des Propulsors unter Berücksichtigung der Einflüsse des Nachstromfeldes optimiert, z. B. unter Berücksichtigung der Trimmlage und des Beladungszustandes des Schiffes sowie ggf. weiterer Einflussgrößen.
Schiff, gekennzeichnet durch die Verwendung eines zumindest teilweise in den Schiffsboden integrierten Propulsors nach einem der Ansprüche 1 bis 12.