AT508573B1 - Hochsee- oder binnenschiff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schiff mit einer neuen Art des Antriebs, wobei zumindest zwei Dieselmotor-Generatoreinheiten, von welchen eine ein leistungsstärkeres und das andere ein leistungsschwächeres Antriebsaggregat (900, 900') ist, bevorzugt örtlich voneinander getrennt angeordnet, und nur durch Elektrokontakte oder Stromkabel mit zumindest einem Elektromotor-Fahrantriebsaggregat (920) mit dem Schiffsantriebselement (923), insbesondere mit der Triebschraube, verbunden sind.

Description

österreichisches Patentamt AT508 573B1 2011-06-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen neuen Antrieb bzw. ein neues Antriebskonzept für Schiffe, die häufig in unterschiedlichen Lastzuständen, dies aber über einen längeren Zeitraum hinweg, betrieben werden. Diese Lastzustände sind so stark zu einander unterschiedlich, dass der Betrieb in dem einen oder dem anderen Lastzustand mit herkömmlichen Antrieben jeweils eine sehr ungünstige Wirtschaftlichkeit aufweist, und die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt eine neue Art des Baus des Schiffes für eine wesentliche Erhöhung von dessen Wirtschaftlichkeit.

[0002] Mehrere Gattungen von Schiffen werden häufig in ganz unterschiedlichen Lastzuständen betrieben, etwa Schleppschiffe und Bohrinselversorgungsschiffe auf Überstellung oder im Einsatz, Binnenschiffe auf Flüssen zu Berg, zu Tal oder mit reglementierter Fahrt auf Kanälen. Allen diesen Schiffen ist gemeinsam, dass deren Antriebsenergie für den stärksten Lastzustand vorgehalten werden muss, wie z.B. beim Binnenschiff für die Fahrt voll beladen zu Berg oder beim Schleppschiff mit der vollen Last am Haken.

[0003] Nun liegt es aber in der Natur der zumeist zum Einsatz kommenden Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, dass sie nur innerhalb eines sehr engen Leistungsbereiches des Gesamt-Leistungsspektrums das beste Leistungs-Wirtschaftlichkeit-Verhältnis aufweisen bzw. erbringen, und es muss in Kauf genommen werden, dass die Wirtschaftlichkeit in anderen Leistungsbereichen deutlich geringer ist, was natürlich günstigerweise vermieden werden sollte.

[0004] Somit wäre es optimal, die Antriebsleistung jeweils immer so zu dimensionieren, dass selbst unter den ungünstigsten Bedingungen, also z.B. bei einem Binnenschiff bei Hochwasser voll abgeladen zu Berg, jedenfalls gerade noch der erforderliche Vortrieb erzielt wird. Fährt dasselbe Binnenschiff aber zu Tal oder auf einem Kanal mit geregelter Höchstgeschwindigkeit -üblich sind 11 bis 13 km/h - oder aber zu Berg, jedoch bei günstigeren Strömungsverhältnissen oder nur mit einer Teilladung, wird die bei anderen Verhältnissen durchaus nötige hohe Antriebsleistung gar nicht benötigt.

[0005] Nun vermag aber ein handelsübliches Schiffs-Dieselaggregat ein Leistungsspektrum in der Bandbreite von etwa 30 bis 100 Prozent nicht so abzudecken, dass nicht wenigstens einer der gleichermaßen häufig auftretenden und wechselnden Lastzustände letztlich nur mit ganz geringer Wirtschaftlichkeit betrieben werden kann.

[0006] Was den Stand der Technik betrifft, ist hierzu folgendes auszuführen.

[0007] Aus der WO 2004/028899 A1 geht ein elektrisches Schiffs-Antriebssystem mit elektrisch regelbaren (Diesel)Motoren hervor, wobei die Leistung des Antriebssystems im Zusammenwirken von mehreren kleinen Dieselmotoren erzeugt wird, die im Schiff verteilt aufstellbar und durch eine Automatisierungsanlage aufeinander abgestimmt betreibbar sind. Dadurch kann der Betrieb im optimalen Drehzahlbereich erfolgen.

[0008] Die CH 178938 A beschreibt eine Krafterzeugungsanlage für Schiffe mit einem Generator und einem Elektromotor, wobei die Leistung durch Einstellen der Generatorspannung geregelt wird.

[0009] Im folgenden sind einige Kennzahlen am Beispiel eines Binnenschiffs dargestellt: [0010] Ein Binnenschiff, das die überwiegende Mehrzahl der europäischen Binnenwasserstraßen befahren können soll, weist etwa die folgenden Dimensionen auf: [0011] Maße: [0012] Breite: 11,40 m [0013] Tiefgang: bis 3,5 m [0014] Längen: 1/7 österreichisches Patentamt AT508 573B1 2011-06-15 [0015] A) als Einzelfahrer: 110 -135 m [0016] B) als Barge: 65 bis 75 m [0017] C) als Schubverband, bestehend aus Einzelfahrer und Barge oder aus einem Schubschiff mit 2 Bargen: 185 m [0018] Leistungsbedarf genähert: [0019] A) Einzelfahrer:

[0020] A1) auf geschwindigkeitsgeregelten Kanälen: etwa 330 kW

[0021] A2) zu Tal mit Maximalgeschwindigkeit bei ausreichender Wassertiefe: etwa 800 kW

[0022] A3) Bei Hochwasser zu Berg: etwa 1400 kW

[0023] B) Leistungs-Mehrbedarf für das Schieben einer Barge von 75 m Länge:

[0024] B1) + 250 kW

[0025] B2) + 740 kW

[0026] B3) + 1000 kW

[0027] C) Schubverband, Leistungsbedarf

[0028] C1) 550 kW

[0029] C2) 1500 kW

[0030] C3) 2300 kW

[0031] Daraus ergibt sich ein an sich zur Verfügung stehen sollendes Leistungsspektrum für ein Binnenschiff wie folgt:

[0032] A) Einzelfahrer: 330 bis 1400 kW

[0033] B) Leistungs-Mehrbedarf beim Schieben einer Barge: 250 bis 1000 kW

[0034] C) Schubverband: 550 bis 2300 kW

[0035] Die Erfindung betrifft einen Antrieb, der den, wie oben angeführten, unterschiedlichen Leistungsspektren gerecht wird, indem ein Antrieb mit zwei oder mehreren Antriebs-Motoren unterschiedlicher Stärke realisiert wird, wobei sich deren Leistung auf ein oder mehrere An-triebselement(e), also Schiffsschraube(n), verteilt.

[0036] Die vorliegende Erfindung liegt nun darin, dass anders als bei bisherigen Schiffs-Antriebskonzepten, die mit unterschiedlich starken Motoren arbeiten, nun die Motor-Leistung nicht über herkömmliche Getriebe und Wellen auf unterschiedlich dimensionierte Schiffsschrauben übertragen werden, sondern dass die Schiffsschrauben alle gleich dimensioniert sein sollen und grundsätzlich auch gleichermaßen zur Übertragung der Motor-Leistung auf bzw. in das Wasser herangezogen werden, sieht man einmal von speziellen Situationen bei Manövern od.dgl. ab.

[0037] Erreicht wird nun diese Anpassung dadurch, dass in den oben angeführten Antriebssituationen „A1" bis ,,CT' ein jeweils schwächerer Motor zum Einsatz kommt, in den Antriebssituationen „A2" bis „C2" ein jeweils stärkerer und in den Antriebssituationen „A3" bis „C3" beide soeben genannten Antriebs-Motoren zusammen.

[0038] Erreicht wird dies erfindungsgemäß, indem die Einheiten Antriebs-Motor und Schraube mechanisch voneinander getrennt werden und vorzugsweise durch eine elektrische Verbindung mit Generatoren auf der Antriebs-Motor-Seite, einer elektrisch/elektronischen Leistungsregelung und -Verteilung an Stelle eines wie bisher üblichen Getriebes und elektrischen Fahrmotoren auf der Seite des leistungsübertragenden Schiffsschrauben-Antriebs ersetzt werden.

[0039] Die Antriebs-Leistung ist dabei im normalen Betriebszustand günstigerweise immer auf 2/7 österreichisches Patentamt AT508 573 B1 2011-06-15 die vorhandenen Antriebs-Schrauben gleichermaßen aufzuteilen.

[0040] Gegenstand der Erfindung ist somit ein Schiff mit einem neuartigen Schiffsantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welcher die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches genannten Merkmale aufweist.

[0041] Die Aufstellung bzw. Anordnung der einzelnen Antriebs- und Abtriebs-Komponenten auf oder in dem Schiff kann bei diesem neuen Antriebskonzept grundsätzlich dort erfolgen, wo der Nutzen des Fahrzeuges, wie z.B. dessen Beladbarkeit, am wenigsten negativ beeinflusst wird.

[0042] So können etwa bei einem Binnenschiff die Motor-/Generator-Einheiten in Containern auf dem Heck stehen oder oberhalb desselben angeordnet werden, die elektrischen Antriebs-bzw. Fahrmotoren können hingegen an jeder anderen beliebigen Stelle des Schiffsrumpfes, wo es dem Zweck des Fahrzeuges am besten entgegenkommt, untergebracht werden. Als limitierend für die Entfernung der Haupt-Antriebs- von den Fahr-Antriebs-Komponenten voneinander wird sich lediglich das Erfordernis erweisen, relativ große Leistungen durch die diese Komponenten miteinander verbindenden Kabel zu übertragen.

[0043] Das Übertragungsprinzip vom elektrischen Fahrmotor auf die Antriebs-Schraube ist vollkommen frei wählbar. Es kommen in Frage Elektro-Antriebs- bzw. Fahr-Motor und Schraube in einer Linie, als POD- oder als Azimuth, das Übertragungsprinzip richtet sich lediglich nach den schiffstechnischen Bedürfnissen.

[0044] Schiffsschraube(n) [0045] Als günstig erweist es sich, auch die Schiffsschraube(n) den wie eingangs genannten, unterschiedlichen Leistungs-Erfordernissen anzupassen. Denn je nach Lastzustand „A" bis „C" müsste(n) die Schraube(n) unterschiedlich konfiguriert sein, um jeweils optimal die Leistung des elektrischen Fahrmotors auf bzw. in das Fahr-Wasser übertragen zu können. Es empfiehlt sich daher, analog zur bedarfsangepassten Motorleistung Schiffsschrauben mit variabler Leistungsabgabe, also z.B. solche mit verstell- bzw. verdrehbaren Schraubenflügeln, einzusetzen, wobei es als ausreichend anzusehen ist, wenn die Schraube (n) in - den drei, den hauptsächlichen Lastzuständen entsprechenden -Konstellationen fixiert werden können.

[0046] Die Vorteile der neuen Art des Schiffsantriebs und dessen ökonomischer Nutzen sind folgende: [0047] Bisher musste immer in Kauf genommen werden, dass ein konventioneller, die weiter oben genannten Komponenten aufweisender Antriebsstrang auf einen einzigen Lastzustand hin optimiert ist. Das führte aber dazu, dass das Schiff, immer dann, wenn es nicht in dem Lastzustand unterwegs ist, für den es die Konstrukteure entworfen haben, deutlich an Wirtschaftlichkeit verlor; also wenn es z.B.

[0048] ' auf Wasserstraßen verkehrt hat, für die es nicht konzipiert wurde, also etwa, wenn ein

Rhein-Schiff auf Kanälen unterwegs war und [0049] • wenn, wie dies beispielsweise wegen Niederwassers der Fall ist, nur mit Teilladungen gefahren werden konnte.

So etwa beträgt die Treibstoffersparnis bei einem nur halb beladenen Schiff lediglich etwa 10%, was den Verkehr auf der nicht ausgebauten Donau zwischen Straubing und Vilshofen zu einem wirtschaftlichen Wagnis werden lässt, wenn wegen Niederwassers geleichtert werden muss. Ähnliches gilt auch für den Fall, [0050] · dass das Schiff eine Ladung zu transportieren hat, die seine Tragfähigkeit nur zum Teil ausnützt, wie dies etwa bei Containern oder Getreide der Fall ist.

[0051] Die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, den Antrieb beinahe immer in seinem optimalen Leistungsbereich nutzen zu können, schafft auch eine deutlich günstigere Umweltbilanz, da z.B. ein Motor, der mit zu hoher Last oder Höchstlast betrieben wird, deutlich mehr Schadstoffe an die Umgebung abgibt, als ein unter Normallast laufender Motor. Wenn z.B. nur das leistungsstärkere Antriebsaggregat, seinen Strom an das Fahraggregat liefert, kann das 3/7 österreichisches Patentamt AT508 573B1 2011-06-15 leistungschwächere Aggregat für den Betrieb einer Schiffs-Kühlanlage, einer Klimaanlage oder für die sonstige Schiffs-Elektrik laufen.

[0052] Es ist durch die neue, elektronisch regelbare elektrische Leistungsübertragung, eine dislozierte Anordnung von Antriebsaggregat und Fahr-Antriebsaggregat auf oder in dem Schiff möglich geworden, wie dem Anspruch 2 zu entnehmen.

[0053] Bei dieser Ausführungsform des neuen Antriebs, der vorteilhafterweise zur Gänze fernsteuerbar ist und keiner ständigen Wartung bedarf, sind zwei leistungs-unterschiedliche dieselelektrische Antriebsaggregate, deren jedes einen Diesel-Motor und einen Generator umfasst, und zumindest ein elektrischer Fahr-Antriebsmotor vorgesehen, da ja kein Zwang mehr besteht, die Antriebsaggregate in einer Linie mit den Schrauben anzuordnen.

[0054] Dadurch können die Dieselmotoren mit den Strom-Generatoren beispielsweise über dem Heck des neuen Schiffs angeordnet werden, in einem Bereich also, der ohnedies nicht der Ladungsaufnahme dienen kann.

[0055] Dem Anspruch 3 ist zu entnehmen, dass das Fahr-Antriebsaggregat jeweils eine eigene Kraftstrom-Verbindung mit jedem der beiden leistungs-unterschiedlichen Antriebsaggregate aufweist und dass mittels einer Schalt- und Steuereinrichtung eine Leistungs-Ankoppelung mit dem einen, stärkeren oder mit dem anderen, schwächeren Antriebsaggregat oder aber mit beiden gemeinsam erfolgen kann.

[0056] Wenn, wie im Anspruch 4 geoffenbart, das nicht mehr ortsgebundene Antriebsaggregat in einem Container untergebracht ist, kann ein Ausfall, also z.B. eine Maschinen-Havarie des Aggregats leicht durch Ersatz des Containers durch einen anderen Container mit einem funktionstüchtigem Antriebsaggregat, z.B. herantransportiert mittels LKW innerhalb von 1 bis 2 Tagen, behoben werden.

[0057] Der Anspruch 5 zeigt eine für eine wirtschaftliche Fahrweise günstige Kombination zweier Antriebsaggregate auf.

[0058] Besonders vorteilhaft ist eine solche Kombination, wenn sie, z.B. mittels Funk, fernsteuerbar ausgebildet ist, wie aus dem Anspruch 6 hervorgeht.

[0059] Hohe Betriebsflexibilität lässt sich erreichen, wenn der (die) Elektro-Antriebsmotoren gemäß Anspruch 7 ausgebildet ist (sind).

[0060] Hier ist anzumerken, dass es besonders wirtschaftlich ist, auch für die elektrischen Fahr-Antriebsmotoren Elektromotoren aus dem Lokomotivbau einzusetzen.

[0061] Insbesondere bei Binnenschiffen für den Container-Transport, die jedenfalls auch in küstennahen Bereichen der Ozeane eingesetzt werden können, ist das wie oben ausgeführt "wellenlose" Antriebssystem mit zwei unterschiedlich leistungsfähigen dieselelektrischen Aggregaten von Vorteil.

[0062] Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert: [0063] Die Fig. 1a und 1b zeigen schematisch eine mögliche Art der neuen Kombination von Antriebsaggregaten und Fahr-Abtriebsaggregaten auf einem erfindungsgemäßen Schiff.

[0064] Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Schiff 1 gemäß der Erfindung mit zwei leistungsunterschiedlichen Antriebsaggregaten, also mit einem leistungsstärkeren 900 und einem leistungsschwächeren 900', die durch unterschiedlich große Rechtecke symbolisiert sind, welche auf oder in dem Schiff 1, angeordnet ist, wo kein Raum oder Platz für anderes vorgesehen ist. Von jedem dieser Antriebsaggregate 900 und 900', jeweils mit Dieselmotor 901, 901' und an denselben gekuppelten Strom-Generator 902, 902' geht jeweils eine Starkstromleitung 910, 910' aus, welche jeweils mittels einer Schalt- und Steuereinheit 930, 931 auf Stromfluss oder Strom-Nichtfluss bzw. veränderlichen Stromfluss schalt- und regelbar ist, so dass mehr oder weniger Strom aus dem einen oder dem anderen Antriebsaggregat 900, 900' verfügbar ist. Die Starkstromkabel 910, 910', die im Schiff 1 überall dort verlegt sein können, wo Platz dafür ist, liefern den in den Antriebsaggregaten 900, 900' erzeugten leistungsstärkeren oder/und leistungsschwächeren Starkstrom an die beiden Fahrantriebs-Einheiten 920, welche hier zwei symmet- 4/7

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT508 573 B1 2011-06-15 risch zur Haupt-Längsachse hl des Schiffs 1 an dessen Heck 16 angeordnete Elektro-Fahr- Antriebsmotoren 921 aufweisen, welche hier in drehbaren Gondeln 925 untergebracht sind, in welchen z.B. ein Eck-Getriebe 922 zu den Schiffsschrauben 923 untergebracht ist. Patentansprüche 1. Hochsee- oder Binnenschiff mit einer Mehrzahl von eine vorzugsweise mittels Leistungs-Steuerungseinrichtung (930, 931) regel- und steuerbare Verbrennungskraftmaschine und einen mit ihr kraftschlussverbundenem Strom-Generator umfassenden Antriebsaggregaten und mit denselben elektrisch verbundenen Fahrantriebsaggregaten, umfassend einen Elektromotor und zumindest ein Schiffsantriebsorgan, vorzugsweise Schiffsschraube, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiff zumindest zwei Antriebsaggregate (900, 900') aufweist, von welchen eines (900) ein leistungsstarkeres und das andere ein vergleichsweise leistungsschwacheres (900') Antriebsaggregat, jeweils mit einem Haupt-Antriebsmotor (901, 901'), mit dem mit ihm kraftschluss-verbundenen Strom-Generator (902, 902') aufweist, wobei von jedem dieser beiden in ihrer Leistungsstarke unterschiedlichen Antriebsaggregate (900, 900') zumindest eine Elektro-Kontaktstelle oder Kraftstrom-Übertragungsleitungseinrichtung bzw. -Leitung (910, 910') zu zumindest einem - mittels einer elektronischen Steuerungseinrichtung (930, 930') leistungsregel- und -steuerbaren Fahr-Antriebsaggregat (920) mit Kraftstrom versorgbar ist, welches mindestens einen Elektro-Antriebsmotor (921) umfasst, der seinerseits über ein Getriebe (922) oder direkt über eine Welle mit zumindest einem von ihm angetriebenen Schiffs-Antriebselement (923), insbesondere Schiffs-Triebschraube, kraftschlüssig verbunden ist, wobei mittels der Leistungs-Steuerungseinrichtung (930, 93T), jeweils entsprechend den gerade herrschenden Beladungs- und Fahrbedingungen, von jedem der beiden Antriebsaggregate (900, 900') allein oder von beiden Antriebsaggregaten (900, 90T) gemeinsam das zumindest eine Fahr-Antriebsaggregat (920) mit Kraftstrom versorgbar ist.
2. 2. Schiff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die -unterschiedliche Leistungen abgebenden - Antriebsaggregate (900, 900') mit ihren Haupt-Antriebsmotoren (901, 90T) und den mit ihnen kraftschlüssig verbundenen Strom-Generatoren (902, 902') relativ zu dem mit denselben elektrisch verbundenen - mindestens einen Fahr-Antriebsaggregat (920) mit dem Elektro-Antriebsmotor (921) und dem mit demselben kraftschlüssig verbundenen Schiffs-Antriebselement (923) neben- oder übereinander oder voneinander örtlich getrennt, also gemeinsam oder disloziert auf und/oder in dem Schiff (1) angeordnet sind.
3. 3. Schiff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, es zwei oder mehr Fahr-Antriebsaggregate (920) aufweist, die alle jeweils von mindestens einem der leistungsunterschiedlichen Antriebsaggregate (900, 900') oder von beiden Antriebsaggregaten (900 + 900') gemeinsam mit Kraftstrom versorgbar sind.
4. 4. Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Antriebsaggregate (900, 900') mit den Haupt-Antriebsmotoren (901, 901') und den mit ihnen kraftschlüssig verbundenem Strom-Generatoren (902, 902') in einem mobilen Gestell, Gehäuse oder Container (904) untergebracht ist, welches oder welcher nach Entfernen bzw. Abstecken der Elektro-Kontaktstellen oder der Kraftstrom-Übertragungs-Leitungen (910, 910') zu dem mindestens einen Fahr-Antriebsaggregat (920) mit dem Elektro-Antriebsmotor (921) hin von dem Schiff (1) weg verbringbar und durch ein anderes Gestell oder Gehäuse oder einen anderen Container mit einem anderen Antriebsaggregat ersetzbar ist.
5. 5. Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein erstes leistungsstarkes Antriebsaggregat (900) und ein zweites, in seiner Leistung schwächeres zweites Antriebsaggregat (900') aufweist und dass mittels der Steuerungseinrichtung (930, 931) jedes der Antriebsaggregate (900, 900') unabhängig vom jeweils anderen gesondert oder gemeinsam - insbesondere innerhalb des für jedes derselben jeweils optimalen Leistungsbereiches - regel- sowie ein- und ausschaltbar ist oder dass mittels der Steuerungs- 5/7 österreichisches Patentamt AT508 573B1 2011-06-15 einrichtung (930, 931) beide Antriebsaggregate (900, 900') gemeinsam (leistungs-) regel-sowie ein- und ausschaltbar sind und/oder dass das mindestens eine Fahr-Antriebsaggregat mittels der Steuerungseinrichtung (930, 931) (leistungs-)regelbar sowie ein- und ausschaltbar ist.
6. 6. Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dessen beide Antriebsaggregate (900, 900') als fernsteuerbare Verbrennungsmotor- bzw. dieselelektrische Aggregate mit zwei, bevorzugt über dem Heck (16) des Schiffs (1) angeordneten, Verbrennungs- bzw. Dieselmotor-Strom-Generatoren (902, 902') und zwei mechanisch unabhängig voneinander von denselben oder von zumindest einem derselben strom-versorgbaren, Fahr-Antriebsaggregaten (920) mit Elektro-Antriebsmotor (921) mit Schiffs-Antriebselement (923) ausgebildet sind.
7. 7. Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fahr-Antriebsmotor (921) eine im Wesentlichen vertikale Achswelle aufweist und in zumindest einer sich an Bord des Schiffs (1) befindlichen, bevorzugt um volle 360° drehbaren, Gondel (924) positioniert ist, in welcher sich ein Umlenk-, insbesondere Kegelradgetriebe (922) befindet, mittels welchem die Antriebsleistung des elektrischen Fahr-Antriebsmotors (921) auf die im Wesentlichen horizontale Fahr-Antriebswelle mit dem Antriebselement, vorzugsweise mit der Triebsschraube (923), des Schiffs (1) übertragbar ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 6/7