DE10135711A1

DE10135711A1 - Antriebsstrang für Schiffe und Verfahren zu seinem Betreiben

Info

Publication number: DE10135711A1
Application number: DE2001135711
Authority: DE
Inventors: Reinhard Hanke
Original assignee: Fr Fassmer & Co GmbH
Current assignee: Fr Fassmer & Co GmbH
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2001-07-21
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Ein Antriebsstrang insbesondere für eisbrechende und im Eisgang verkehrende Schiffe hat eine Brennkraftmachine, an deren Abtriebswelle ein Untersetzungsgetriebe angeschlossen ist, welches abtriebsseitig auf die Propellerwelle wirkt. Zusätzlich ist an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine der Rotor eines elektrischen Generators angeschlossen. Dabei ist vorzugsweise das Untersetzungsgetriebe über eine hydrodynamische Kupplung mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine verbunden. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines derartigen Schiffs-Antriebsstranges zeichnet sich dadurch aus, dass die bei Normalfahrt mit einer ersten Drehzahl sowohl die Propellerwelle als auch den unter Last laufenden Generator antreibende Brennkraftmachine auf eine höhere Drehzahl gesetzt und die Last vom Generator genommen wird, wenn an der Propellerwelle zumindest kurzzeitig ein höherer Drehmomentbedarf besteht. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Last dauerhaft vom Generator genommen wird, wenn an der Propellerwelle ein dauerhaft höherer Leistungsbedarf besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für Schiffe, insbesondere für eisbrechende und im Eisgang verkehrende Schiffe, mit einer Brennkraftmaschine, einem Untersetzungsgetriebe, das an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, und mit einer abtriebseitig an das Untersetzungsgetriebe angeschlossenen, an ihrem freien Ende den Propeller tragenden Propellerwelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Antriebsstrangs.
Schiffspropeller verlangen regelmäßig ein hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl. Herkömmlich werden daher langsam laufende Brennkraftmaschinen mit großem Hubraum eingesetzt. Die Entwicklung der für Schiffsantriebe besonders geeigneten Dieselmotoren geht jedoch zu schnelllaufenden Maschinen mit relativ kleinem Hubraum hin, die besser regelbar sind und einen geringeren spezifischen Brennstoffbedarf haben. Ein Nachteil dieser modernen Dieselmotoren ist jedoch ihre geringe Elastizität, welche sie als Schiffsantrieb ungeeignet erscheinen läßt, insbesondere dann, wenn das Schiff in vereisenden Gewässern verkehren soll.
Man hat zwar versucht, der geringen Elastizität schnelllaufender Brennkraftmaschinen dadurch entgegenzuwirken, dass man zwischen dieses und ein die Propellerwelle antreibendes Untersetzungsgetriebe eine hydrodynamische Kupplung schaltete, welche bei hoher Drehmoment-Belastung der Propellerwelle einen großen Schlupf zwischen deren Drehzahl und der Drehzahl des Motors zuließ, ohne den Motor abzuwürgen. Im Falle des Auftretens besonders hoher Drehmomente an der Propellerwelle, etwa weil der Propeller von Eis blockiert wird, reicht diese Maßnahme jedoch nicht aus, so dass man schnelllaufende Brennkraftmaschinen für ungeeignet hielt, im Antriebsstrang solcher, namentlich eisgehender Schiffe eingesetzt zu werden.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsstrang-Konfiguration - und ein Verfahren zu seinem Betreiben - anzugeben, welche auch in derart schwierigen Fällen den Einsatz moderner schnelllaufender Brennkraftmaschinen, insbesondere schnelllaufender Dieselmotoren, erlaubt.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs erwähnten Antriebsstrang, dadurch gelöst, dass an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine ausserdem der Rotor eines elektrischen Generators angeschlossen ist. Auf diese Weise stellt das Schwungmoment des Generator-Rotors ein erheblich größeres Drehmoment an der Propellerwelle zur Verfügung als die - schnelllaufende und deshalb relativ leichte - Brennkraftmaschine allein bieten kann, und zwar insbesondere dann, wenn in solchem Lastfall die elektrische Last vom Generator genommen wird, sobald der Propeller auf Eis trifft oder aus anderem Grunde ein das erforderliche Drehmoment an der Propellerwelle erhöhender Widerstand auf das Schiff wirkt. Selbstverständlich greift in derartigen Fällen auch modernes Motor-Management, d. h. die elektronische Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine und des weiteren Antriebsstranges ein, sie ist jedoch nicht in der Lage, so schnell und nachhaltig sowie unter Aufrechterhaltung der erforderlichen Antriebsleistung zu reagieren, wie dies durch die erfindungsgemäß erhöhte Elastizität des Antriebsstranges - trotz relativ unelastischer Brennkraftmaschine - der Fall ist.

Auch in diesem Antriebsstrang kann zwischen der Brennkraftmaschine und dem Untersetzungsgetriebe eine hydrodynamische Kupplung vorgesehen sein, die mit der Schwungmasse des Generator-Rotors zusammenwirkt.

Vorzugsweise ist das Untersetzungsgetriebe am einen und der Generator am anderen Ende der Antriebswelle der Brennkraftmaschine mittels hochelastischer Kupplungen angeflanscht, weil dadurch die Elastizität des Antriebsstranges weiter erhöht wird. Von Vorteil ist es in diesem Zusammenhang ferner, wenn der Propeller ein Verstellpropeller ist.

Die hydrodynamische Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Untersetzungsgetriebe kann als eine Turbokupplung mit einer konstanter Ölfüllung oder mit einer variablen Ölfüllung ausgeführt sein. Bei letzterer Ausführungsform ist eine Trennung der Momentübertragung im Antriebsstrang möglich, wie sie z. B. erforderlich sein kann, wenn der Propeller auf ein Hindernis trifft.

In einer anderen Ausführungsform könnte diese Möglichkeit der Unterbrechung der Momentübertragung auch durch eine in das Untersetzungsgetriebe integrierte Schaltkupplung erreicht werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Generator mittels eines Getriebes, vorzugsweise eines Übersetzungsgetriebes an die Brennkraftmaschine angekoppelt ist. Hierdurch kann die Drehzahl des Generators um einen bestimmten Faktor über die Drehzahl der Brennkraftmaschine angehoben werden, wodurch die bei kurzzeitig erhöhtem Drehmomentbedarf zur Verfügung stehende, im Generator gespeicherte Rotationsenergie erhöht wird.

Das erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren zum Betreiben des vorstehend geschilderten Schiffs-Antriebsstranges zeichnet sich dadurch aus, dass die bei Normalfahrt mit einer ersten Drehzahl sowohl die Propellerwelle als, auch den unter Last laufenden Generator antreibende Brennkraftmaschine auf eine höhere Drehzahl gesetzt und die Last vom Generator genommen wird, wenn an der Propellerwelle zumindest kurzzeitig ein höherer Drehmomentbedarf besteht.

Das erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren sieht weiterhin vor, die Wellendrehzahlen vor und hinter der hydrodynamischen Kupplung zu erfassen und aus dem Verhältnis dieser Drehzahlen einen Schlupf der hydrodynamischen Kupplung zu berechnen. In Abhängigkeit dieses Schlupfwertes können bei Überschreitung eines bestimmten Schlupfwertes Eingriffe in das Motormanagement und/oder eine Verstellung des verstellbaren Propellers erfolgen, um hierdurch eine Erhöhung der Temperatur der Ölfüllung der hydrodynamischen Kupplung über einen bestimmten Wert zu verhindern.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung soll an Hand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer gesamten Antriebsanlage eines Schiffes;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Brennkraftmaschine mit einer an einer Seite mittels einem zwischengeschaltetem Untersetzungsgetriebe angeflanschten Propellerwelle und einem an der anderen Seite angeflanschten Generator;
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Propellerwelle mit daran angeflanschtem Verstellpropeller.
Bezug nehmend zu den Figuren ist in der bevorzugten Ausführungsform eine Brennkraftmaschine 10, bevorzugt ein Mehrzylinder-Viertakt-Dieselmotor, im Schiffsrumpf installiert. Natürlich können auch andere Arten von Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise nach dem Zweitaktverfahren arbeitende Motoren oder mit anderen Kraftstoffen betriebene Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst eine Kurbelwelle, welche eine Hauptabtriebsseite 11 und eine Nebenabtriebsseite 12 aufweist. Mit der Kurbelwelle ist an der Hauptabtriebsseite 11 eine elastische Kupplung 20 verbunden, welche die Drehbewegung der Kurbelwelle auf eine hydrodynamische Kupplung 30 überträgt. Die hydrodynamische Kupplung 30 ist im Ausführungsbeispiel eine Turbokupplung mit einer konstanten Ölfüllung. Die Turbokupplung hat unter Freifahrtbedingungen bei einer Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 1500 U/min einen Schlupf von ca. 3%. Dieser Schlupf kann bei Überlast auf über 10% ansteigen. Zum Schutz vor thermischer Überlastung verfügt die Turbokupplung über eine Schmelzsicherung, die bei 160°C anspricht und eine sofortige Ableitung der in der Turbokupplung enthaltenen Ölfüllung bewirkt. Eine Momentübertragung ist ohne diese Ölfüllung nicht mehr möglich. Im Ausführungsbeispiel ist an der Turbokupplung zusätzlich ein Öltemperaturschalter vorgesehen, der bei einer Öltemperatur von 125°C anspricht und dann einen Alarm auslöst, die Füllung des Dieselmotors zurücknimmt und die Propellersteigung reduziert, bis ein Schlupf von ca. 3 bis 4% wieder erreicht wird.
Die hydrodynamische Kupplung 30 überträgt die Drehbewegung der elastischen Kupplung 20 an ein an sie angeflanschtes Schalt- und Untersetzungsgetriebe 40. An das Schalt- und Untersetzungsgetriebe 40 ist mittels einer Flanschkupplung 45 die Propellerweile 50 angeflanscht. Das Schalt- und Untersetzungsgetriebe 40 weist ein Untersetzungsverhältnis von 3,48 : 1 auf. Der Drehsinn der Propellerwelle kann im Schalt- und Untersetzungsgetriebe umgeschaltet werden.
Die Propellerwelle 50 führt durch ein Stevenrohr 55 hindurch nach Außenbords und trägt an ihrem Ende einen Verstellpropeller 60. Der Verstellpropeller 60 weist vier Propellerflügel 61 auf, deren Propellerwinkel um ± 25° um eine radial zur Längsachse der Propellerwelle stehende Achse verdreht werden kann. Die Verstellgeschwindigkeit des Propellerwinkels beträgt maximal 10° pro Sekunde.
An der Nebenabtriebsseite der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 ist mittels einer elastischen Kupplung 70 ein Drehstromgenerator 80 angeflanscht. Der Drehstromgenerator 80 umfasst einen Rotor, der sich mit der gleichen Drehzahl dreht, wie die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10.
Im Betrieb des Antriebsstranges läuft der Verbrennungsmotor 10 mit einer konstanten Motordrehzahl von etwa 1500 U/min. Die Einstellung der Fahrgeschwindigkeit des Schiffes erfolgt durch Verstellen der Propellersteigung des ebenfalls mit konstanter Drehzahl (etwa 500 U/Min.) drehenden Verstellpropellers 60. Der an die Nebenabtriebsseite der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeflanschte Rotor des Drehstromgenerators 80 dreht sich mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Der Drehstromgenerator 80 stellt bei Freifahrtbedingungen die zur Betreibung von Nebenaggregaten (z. B. Hebekran, Bugstrahlruder) benötigte elektrische Energie zur Verfügung.
Trifft der Propeller, z. B. bei Eisfahrt, auf ein Hindernis, so kommt es zu einer Erhöhung des Drehmoments am Propeller. Um ein hierdurch bewirktes unerwünschtes Absinken der Motordrehzahl zu verhindern, kann einerseits die Propellersteigung zurückgenommen und andererseits die elektrische Last des Generators 80 kurzzeitig verringert werden. Zugleich kann eine Eingriff in das Motormanagement erfolgen, um die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu steigern. Durch diese Maßnahmen kann ein Absinken der Motordrehzahl unter einen bestimmten Wert verhindert werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die elektrische Last dauerhaft vom Generator 80 genommen werden kann, wenn ein erhöhter Leistungsbedarf am Propeller besteht. Dieser Fall kann z. B. eintreten, wenn durch eine geschlossene Eisschicht oder in einer gebrochenen Eisrinne gefahren wird. Der Rotor des Generators 80 dreht in diesem Fall weiterhin mit Motordrehzahl und speichert so kinetische Energie, die bei einer auftretenden kurzfristigen Störung am Propeller ein Absinken der Motordrehzahl verhindert. Die für den Betrieb von Nebenaggregaten erforderliche elektrische Energie wird in diesem Fall von einem zusätzlichen Verbrennungsmotor bereitgestellt.

Claims

1. Antriebsstrang für Schiffe, insbesondere für eisbrechende und im Eisgang verkehrende Schiffe,
mit einer Brennkraftmaschine, einem Untersetzungsgetriebe, das an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, und mit einer abtriebsseitig an das Untersetzungsgetriebe angeschlossenen, an ihrem freien Ende den Propeller tragenden Propellerwelle,
dadurch gekennzeichnet, dass an die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine ausserdem der Rotor eines elektrischen Generators angeschlossen ist.

2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe mittels einer hydrodynamischen Kupplung mit konstanter oder variabler Füllung mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine verbunden ist.

3. Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe eine Schaltkupplung aufweist.

4. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe am einen und der Generator am anderen Ende der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine mittels hochelastischer Kupplung angeflanscht sind.

5. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein schnelllaufender Dieselmotor mit relativ kleinem Hubraum ist.

6. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller ein Verstellpropeller ist.

7. Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem elektrischem Generator und der Brennkraftmaschine ein Getriebe angeordnet ist.

8. Verfahren zum Betreiben eines Schiffs-Antriebsstrangs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Normalfahrt mit einer ersten Drehzahl sowohl die Propellerwelle als auch den unter Last laufenden Generator antreibende Brennkraftmaschine auf eine höhere Drehzahl gesetzt und die Last vom Generator genommen wird, wenn an der Propellerwelle zumindest kurzzeitig ein höherer Drehmomentbedarf besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Last dauerhaft vom Generator genommen wird, wenn an der Propellerwelle ein dauerhafter höherer Leistungsbedarf besteht.