DE102004058259A1 - Ship propulsion system has ship propeller, propelling engine which is provided inside hull of ship and is directly connected with ship's propeller by means of hydrodynamic transmission - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen drehzahlvariablen Schiffsantrieb entsprechend des Oberbegriffs von Anspruch 1, wobei dieser bevorzugt für Ruderpropeller Verwendung findet und ferner insbesondere als Antrieb für Mehrkörperschiffe geeignet ist.The Invention relates to a variable-speed marine propulsion accordingly of the preamble of claim 1, preferred for rudder propellers Uses and also in particular as a drive for multi-body vessels suitable is.
Ein drehzahlvariabler Betrieb ist für Ruderpropeller von Bedeutung, da diese vorzugsweise zur Verbesserung der Manöverierfähigkeit eingesetzt werden. Anwendung für solche schwenkbaren Schiffsantriebe sind insbesondere für Fähren und Schlepper für den Hafeneinsatz wie auch für den Offshore-Bereich gegeben. Solche Ruderpropeller werden je nach Schiffsgröße und Einsatzzweck auch als die einzigen mechanischen Antriebseinheiten verwendet. Außerdem können Ruderpropeller zusätzlich zu konventionellen Schiffsantrieben zur Verbesserung der Manövierfähigkeit oder für den Revierfahrtbereich, insbesondere in Hafenanlagen vorgesehen sein. Bekannte Ausbildungen von Ruderpropellern sind Schub- oder Zugpropeller, auch Twin-Propeller.One variable speed operation is for Rudder propeller important because these are preferably for improvement the maneuverability be used. Application for Such swiveling ship propulsion systems are especially for ferries and tugs for the Port use as well as for given the offshore area. Such rudder propellers are depending on Ship size and purpose also used as the only mechanical drive units. Furthermore can Rudderpropeller additionally to conventional marine propulsion systems to improve maneuverability or for the Revierfahrtbereich, especially provided in port facilities be. Known configurations of rudder propellers are thrust or Zugpropeller, also twin-propeller.
Alternativ zur Verwendung von Ruderpropellern werden für langsam fahrende besonders wendige Schiffe Voith-Schneider-Antriebe verwendet, bei denen die Größe und Richtung des Propellerhubs schnell und stufenlos geändert werden kann. Nachteilig an einem Voith-Schneider-Antrieb ist allerdings dessen Komplexität und die hieraus resultierenden Kosten. Aus diesem Grund hat sich der Voith-Schneider-Antrieb für kleinere Schiffe als geeignet herausgestellt, während insbesondere Hochseeschlepper Ruderpropeller verwenden.alternative The use of rudder propellers will be especially slow for slow-moving manoeuvrable ships used Voith Schneider drives in which the Size and direction the propeller stroke can be changed quickly and steplessly. adversely on a Voith Schneider drive, however, is its complexity and the resulting costs. For this reason, the Voith-Schneider drive has for smaller ones Ships proved to be suitable while, in particular, ocean-going tugboat rudder propellers use.
Die bekannten Ruderpropeller weisen üblicherweise innerhalb des Schiffsrumpfs untergebrachte Antriebsmaschinen auf. Dies kann eine elektrische Antriebsmaschine oder ein Dieselmotor sein. Als elektrische Antriebsmaschinen werden sowohl Synchron- wie auch Asynchron-Maschinen verwendet. Meist wird aus Sicherheitsgründen ein Elektromotor mit einer Doppelwicklungsanordnung eingesetzt, der von wenigstens zwei Transformatoren gespeist wird. Zur Einstellung der Drehzahl und des Drehmoments des Motors wird gemäß dem Stand der Technik auf Frequenzumrichter zurückgegriffen, welche eine elektronische Regelung dieser Fahrtanforderungen bewirken. Zur Versorgung mit elektrischer Energie wird üblicherweise ein von einem Dieselmotor oder einer Gasturbine angetriebener elektrischer Generator verwendet. Werden Dieselmotoren direkt als Antriebsmaschinen für Ruderpropeller eingesetzt, so ergeben sich Vorteile bezüglich der Effizienz. Gleichwohl ist für diesen Fall eine variable Anpassung der Drehzahl des Ruderpropellers nur in einem begrenzten Umfang möglich.The known rudder propellers usually have within the hull housed engines on. This can be an electric drive machine or a diesel engine be. As electric drive machines, both synchronous and as well as asynchronous machines used. Most will be for security reasons Electric motor used with a double winding arrangement, the is powered by at least two transformers. To adjustment The speed and the torque of the engine is according to the prior Technology resorted to frequency converter, which is an electronic Regulate these travel requirements. To supply with Electric energy is usually a powered by a diesel engine or a gas turbine electric Generator used. Are diesel engines directly as prime movers for Rudderpropeller used, there are advantages in terms of efficiency. nevertheless is for In this case, a variable adjustment of the speed of the rudder propeller only possible to a limited extent.
Um für schnell fahrende Schiffe Ruderpropeller auch als effiziente Vortriebseinheiten verwenden zu können, ist es notwendig, große Propellerdurchmesser zu verwenden, die mit einer hinreichend geringen Drehzahl betrieben werden. Dies setzt bei Verwendung einer elektrischen Antriebsmaschine jedoch voraus, dass diese zur Aufbringung des notwendigen Moments großbauend ausgelegt ist. Für elektrische Antriebsmaschinen wird nämlich das Spaltmoment im Wesentlichen durch das Magnetfeld und durch den Durchmesser des Rotors bestimmt. Bestehen Motoren aus gleichen Materialien folgt im Wesentlichen keine Möglichkeit zur Erhöhung des magnetischen Flusses, so dass lediglich über die Baugröße, d. h. den Durchmesser und die Länge des Rotors, eine Vergrößerung des Spaltmoments und damit auch des Antriebsmoments erzielt werden kann. Hieraus folgt jedoch ein vergrößerter Platzbedarf für die elektrische Antriebsmaschine im Schiffsrumpf, was insbesondere für Offshore-Versorger mit begrenzter Raumhöhe im Heck nachteilig ist. Auch für RoPax- und Doppelend-Fähren, Tanker und Containerschiffe ist eine solche Begrenzung des nutzbaren Stauraums von Nachteil. Bei Freizeitschiffen wie Yachten ergeben sich hieraus ferner Einschränkungen bezüglich der Designfreiheiten insbesondere für das Achterschiff. Aus diesem Grund sind Ausbildungen von Ruderpropellern bekannt geworden, welche die elektrische Antriebsmaschine in den Ruderschaft des Ruderpropellers verlegen. Der Dieselantrieb zur Bereitstellung der Energieversorgung der elektrischen Antriebsmaschine verbleibt dann im Schiffsrumpf.Around for fast moving ships Rudderpropeller also as efficient propulsion units to be able to use it is necessary, great Propeller diameter to use, with a sufficiently low Speed can be operated. This is when using an electric Drive machine, however, foresee that this for applying the necessary Moments building is designed. For namely, electric drive machines essentially becomes the split torque determined by the magnetic field and by the diameter of the rotor. Essentially motors made of the same materials essentially follow no way to increase of the magnetic flux, so that only on the size, d. H. the diameter and the length of the rotor, an enlargement of the Cleavage torque and thus also the drive torque can be achieved. However, this implies an increased space requirement for the electric drive machine in the ship's hull, which is especially for offshore suppliers with limited ceiling height in the rear is disadvantageous. Also for RoPax and double ended ferries, Tankers and container ships is one such limitation of usable Storage space of disadvantage. In recreational vessels such as yachts revealed from this further restrictions in terms of the design freedoms especially for the aft ship. For this Reason have become known formations of rudder propellers, which the electric drive machine in the rudder shaft of the Rudderpropellers embarrassed. The diesel engine to provide the energy supply of electric drive machine then remains in the hull.
Nachteilig an einer solchen Konfiguration ist jedoch, dass der zur Verfügung stehende Bauraum für die elektrische Antriebsmaschine aufgrund der Notwendigkeit einer strömungsoptimalen Ausgestaltung des Ruderpropellerschafts limitiert ist, woraus wie voranstehend dargestellt eine Begrenzung des zur Verfügung stehenden Motormoments resultiert. Demnach kann bei einer solchermaßen gewählten Anordnung nur ein schnell laufender Schiffspropeller verwendet werden, der die Effizienz des Antriebs limitiert.adversely on such a configuration, however, is that available Space for the electric drive machine due to the need for a flow-optimal Design of the rudder propeller shaft is limited, from what above, a limitation of the available Engine torque results. Accordingly, in such a selected arrangement Only a fast-moving ship propeller can be used, the the efficiency of the drive is limited.
Eine weitere bevorzugt Anwendungen für effiziente, drehzahlvariable Schiffsantriebe sind bei einer zueinander beanstandeten Anordnung derselben für die Steuerung von Schiffen durch die Einstellung unterschiedlicher Antriebsdrehzahlen gegeben. Diese Situation liegt insbesondere für Mehrrumpfschiffe vor, bei denen die drehzahlvariablen Schiffsantriebe auf getrennten Schiffskörpern mit hinreichendem Abstand zur Schiffslängsachse untergebracht werden können.A more preferred applications for efficient, variable-speed marine propulsion systems are at one another objectionable arrangement of the same for the control of ships given by setting different drive speeds. This situation is particularly prevalent for multi-hull vessels which the variable speed ship propulsion on separate hulls with sufficient distance to the ship's longitudinal axis can be accommodated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen drehzahlvariablen Schiffsantrieb anzugeben, der es ermöglicht, großbauende, langsam laufende und damit effiziente Schiffspropeller zu verwenden. Gleichzeitig sollte der Schiffsantrieb sowohl für den Vortrieb bei Schnellfahrt wie auch für langsame Revierfahrten energieeffizient verwendbar sein. Die Vorteile einer effizienten Drehzahleinstellung für den Schiffspropeller sollte für Ruderpropeller wie auch für starre, nicht als Ruder verwendete Schiffspropeller geeignet sein, die wiederum insbesondere für Mehrrumpfschiffe verwendet werden können. Hierbei sollte möglichst einfach durch die Veränderung der Drehzahl von Antriebseinheiten, die unterschiedlichen Schiffskörpern zugeordnet sind, eine Manövrierfähigkeit des Mehrkörperschiffs verwirklicht werden.Of the Invention is based on the object, a variable-speed marine propulsion which makes it possible large-sized, to use slow-moving and therefore efficient ship propellers. simultaneously should the ship propulsion both for propulsion in high speed as well as for slow district rides are energy-efficient usable. The advantages an efficient speed setting for the ship propeller should for Rudderpropeller as well as for rigid, not suitable as rudder used propeller, in turn especially for Multihull ships can be used. This should be as possible simply by the change the speed of drive units associated with different hulls are, a maneuverability of the multibody ship be realized.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe haben die Erfinder zunächst erkannt, dass eine schnell laufende elektrische Antriebsmaschine eine gewünschte Baugrößenreduktion bewirkt, da aufgrund des Schnelllaufs eine wesentliche Reduktion des Durchmessers des elektrischen Antriebs bei gleicher Leistungsabgabe möglich ist. Um den Schiffspropeller mit niederer Drehzahl antreiben zu können, wird ein zwischengeschaltetes Getriebe verwendet, welches erfindungsgemäß als hydrodynamisches Getriebe ausgebildet ist. Unter einem hydrodynamischen Getriebe wird in der vorliegenden Anmeldung ein solches Getriebe verstanden, welches wenigstens eine hydrodynamische Einheit, beispielsweise einen hydrodynamischen Wandler, eine hydrodynamische Kupplung oder einen Trilockwandler, umfasst und welches leistungsverzweigt ausgebildet ist.to solution the task of the invention have the inventors first Recognized that a high-speed electric drive machine a desired one size reduction causes, as due to the high speed a significant reduction of Diameter of the electric drive with the same power output possible is. To drive the ship propeller at low speed can, an intermediate gear is used, which according to the invention as hydrodynamic Gear is formed. Under a hydrodynamic transmission is understood in the present application, such a transmission, which at least one hydrodynamic unit, for example a hydrodynamic converter, a hydrodynamic coupling or a Trilockwandler includes, and which is branched power.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Antriebsstrang mit der hydrodynamischen Komponente so ausgestaltet, dass die elektrische Antriebsmaschine mit konstanter Umlaufdrehzahl betrieben werden kann und durch die Regelung und Steuerung der hydrodynamischen Komponente eine variable Ausgangsdrehzahl zum Antrieb des Schiffspropellers verwendet werden kann.In a preferred embodiment The invention relates to the drive train with the hydrodynamic component designed so that the electric drive machine with constant Circulating speed can be operated and by the scheme and Control of the hydrodynamic component a variable output speed can be used to drive the ship's propeller.
Als besonders bevorzugt hat sich hierbei die Verwendung von mindestens zwei Leistungszweigen im hydrodynamischen Getriebe herausgestellt, die mittels eines Überlagerungsgetriebes, beispielsweise eines Planetenradgetriebes oder eines Koppelgetriebes, wieder zusammengeführt werden, um wenigstens mittelbar Leistung auf den Schiffspropeller zu übertragen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Antriebsmaschine mit einem ersten Leistungszweig wenigstens mittelbar verbunden, welcher wiederum wenigstens mittelbar das Sonnenrad eines Planetengetriebes antreibt. Ein zweiter Leistungszweig, welcher eine hydrodynamische Komponente umfasst, weist eine wenigstens mittelbare Kopplung zum ersten Leistungszweig auf und überträgt ebenfalls Leistung auf das Planetenradgetriebe, beispielsweise durch eine wenigstens mittelbare Ankopplung an das Hohlrad desselben. Die so über das Planetenradgetriebe als Überlagerungsgetriebe zusammengeführten Leistungsflüsse aus dem ersten und dem zweiten Leistungszweig dienen dazu, einen wenigstens mittelbar an die Planetenradträger des Planetengetriebes gekoppelten Schiffspropeller anzutreiben, der im Vergleich zur Antriebsmaschine mit einer deutlich niedrigeren und variablen Drehzahl umläuft.When Particularly preferred here is the use of at least two power branches in the hydrodynamic gearbox, by means of a superposition gear, for example, a planetary gear or a linkage, merged again be transferred, at least indirectly, power to the ship's propeller. In a preferred embodiment, the drive machine with at least indirectly connected to a first power branch, which in turn at least indirectly drives the sun gear of a planetary gear. A second power branch, which comprises a hydrodynamic component, has an at least indirect coupling to the first power branch up and transfer as well Power to the planetary gear, for example by a at least indirect coupling to the ring gear of the same. The so over the Planetary gear as a superposition gear merged power flows from the first and the second power branch serve a at least indirectly coupled to the planet carrier of the planetary gear To propel ship propeller, in comparison to the prime mover revolves at a much lower and variable speed.
Im Rahmen des fachmännischen Ermessens ist es möglich, die Leistungsflüsse bei Verwendung eines Planetengetriebes auch in anderer Form zusammenzuführen, so ist es beispielsweise denkbar, dass der erste Leistungszweig auf das Hohlrad und der zweite Leistungszweig auf das Sonnenrad des Planetengetriebes wenigstens mittelbar zugreifen. Auch Kombinationen oder die Verwendung alternativer Überlagerungsgetriebe sind denkbar.in the Framework of the expert It is possible, the power flows to merge in a different form when using a planetary gear, so For example, it is conceivable that the first power branch up the ring gear and the second power branch on the sun gear of the planetary gear at least indirectly. Also combinations or use alternative superposition gearbox are conceivable.
Durch die Steuerung und Regelung der hydrodynamischen Komponente ist es nun möglich, den Leistungsfluss vom ersten auf den zweiten Leistungszweig zu regeln und/oder zu steuern und damit die Ausgangsdrehzahl des Überlagerungsgetriebes einzustellen.By it is the control and regulation of the hydrodynamic component now possible, the Power flow from the first to the second power branch to regulate and / or to control and thus adjust the output speed of the superposition gear.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Antriebsmaschine mit konstanter Drehzahl betrieben, während entsprechend den Anforderungen für den Schiffsantrieb unterschiedliche Drehzahlen für den Schiffspropeller resultieren. Dies ist für elektrische Antriebsmaschinen von Vorteil, da diese immer im Bestpunkt betrieben werden können. Entsprechendes gilt auch für einen Dieselmotor als Direktantrieb für einen Ruderpropeller. Insbesondere für einen Dieselantrieb ist die Regelbarkeit der Drehzahl des Ruderpropellers mit Hilfe des Antriebsstrangs vorteilhaft, da die Dieselmaschine auch für die Langsamfahrt mit einer effizienten Drehzahl betrieben werden kann.In A particularly preferred embodiment of the invention is the Drive machine operated at a constant speed while corresponding the requirements for the ship propulsion different speeds for the ship propeller result. This is for Electric drive machines advantageous since these always in the best spot can be operated. The same applies to a diesel engine as a direct drive for a Rudderpropeller. Especially for one Diesel drive is the controllability of the speed of the Rudderpropellers with the help of the powertrain advantageous because the diesel engine also for the slow speed can be operated at an efficient speed can.
Im Unterschied zur Erfindung wird gemäß dem Stand der Technik die Umlaufdrehzahl eines mittels einer elektrischen Antriebsmaschine angetriebenen Schiffspropellers über Frequenzumrichter angepasst. Durch die Verlagerung der Regelung bzw. Steuerung für die Umlaufdrehzahl des Schiffspropellers in das hydrodynamische Getriebe des erfindungsgemäßen Schiffsantriebs kann nun vorteilhafterweise die elektrische Antriebsmaschine mit einer konstanten Drehzahl und damit immer im Bestpunkt bezüglich des Wirkungsgrads und der Verluste betrieben werden. Darüber hinaus wird auch die Überhitzungsneigung des Motors deutlich reduziert.in the A difference from the invention is according to the prior art Circulating speed of a means of an electric drive machine powered ship propeller over Frequency converter adapted. By relocating the scheme or control for the rotational speed of the ship propeller in the hydrodynamic Transmission of the marine propulsion system according to the invention can now advantageously with the electric drive machine a constant speed and thus always in the best point regarding the Efficiency and losses are operated. Furthermore is also the overheating tendency the engine significantly reduced.
Der hydrodynamische Antriebsstrang samt elektrischer Antriebsmaschine kann als Baueinheit im Schiffsrumpf selbst untergebracht sein. Für diese Ausgestaltung wird dann eine zusätzliche Getriebekomponente verwendet, welche es ermöglicht, die Antriebskraft dem Ruderpropeller zuzuleiten. Hierbei kann beispielsweise ein Kegelradgetriebe verwendet werden, welches bei einer im Wesentlichen senkrechten Anordnung des hydrodynamischen Antriebsstrangs einen L-Typ-Antrieb verwirklicht. Außerdem ist es denkbar, aus Platzgründen wenigstens Teile des hydrodynamischen Antriebsstrangs oder den gesamten hydrodynamischen Antriebsstrang in die Haltestrukturen, insbesondere den Schaft, des Ruderpropellers zu verlagern. Hieraus resultiert wiederum die Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Ruderpropeller mit einem hydrodynamischen Antriebsstrang als Baueinheit auszubilden, welche komplett vormontiert werden kann. Insbesondere für kleinere Schiffe ergeben sich so austauschbare und vereinfacht zu wartende Antriebseinheiten.The hydrodynamic drive train together electric drive machine can be housed as a unit in the ship's hull itself. For this embodiment, an additional transmission component is then used, which makes it possible to supply the driving force to the rudder propeller. Here, for example, a bevel gear can be used, which realizes an L-type drive in a substantially vertical arrangement of the hydrodynamic drive train. It is also conceivable, for reasons of space, to displace at least parts of the hydrodynamic drive train or the entire hydrodynamic drive train into the retaining structures, in particular the shaft, of the rudder propeller. This in turn results in the possibility to form a rudder propeller according to the invention with a hydrodynamic drive train as a structural unit, which can be completely pre-assembled. In particular, for smaller ships so replaceable and simplified to maintain drive units.
Eine kleinbauende elektrische Antriebsmaschine in Kombination mit einem hydrodynamischen Antriebsstrang kann neben Ruderpropellern auch für starre, nicht schwenkbare Schiffspropeller verwendet werden. Ein Vorteil ist hierbei in der bereits dargestellten Möglichkeit zu sehen, die elektrische Antriebsmaschine auf einer optimalen Drehzahl konstant umlaufen zu lassen, während über die hydrodynamische Komponente im Antriebsstrang die Drehzahlvariabilität des Schiffsrotors realisiert werden kann. Dies eröffnet Gestaltungsmöglichkeiten, insbesondere für Mehrkörperschiffe, beispielsweise einen Katamaran oder einen Trimaran, wobei durch die geringe Baugröße der erfindungsgemäßen Antriebseinheiten die Schiffskörper, welche die Antriebseinheiten tragen, kleinbauend ausgebildet werden können. Wird einzelnen Schiffskörpern, die typischerweise gegenüber der Mitschiffachse beabstandet sind, jeweils wenigstens eine erfindungsgemäße Antriebseinheit zugeordnet, so kann durch die Einstellung der Umlaufdrehzahl der Schiffspropeller mittels der hydrodynamischen Einheit im Antriebsstrang die Steuerbarkeit des Schiffs verwirklicht werden, ohne dass die optimale Umlaufdrehzahl der jeweiligen elektrischen Antriebseinheiten verändert werden muss.A small-sized electric drive machine in combination with a Hydrodynamic powertrain can be used alongside rudder propellers as well for rigid, non-swiveling ship propellers are used. An advantage Here is in the possibility already shown to see the electrical Constant rotation of prime mover at an optimum speed to let while over the hydrodynamic component in the powertrain the speed variability of the ship's rotor can be realized. This opens Design options, especially for Multibody ships for example, a catamaran or a trimaran, by the small size of the drive units according to the invention the hulls, which carry the drive units are designed to be physically small can. Becomes individual hulls, typically opposite the Mitschiffachse are spaced, in each case at least one drive unit according to the invention assigned, so by adjusting the rotational speed of the Ship propeller by means of the hydrodynamic unit in the drive train the controllability of the ship can be realized without the optimum rotational speed of the respective electric drive units changed must become.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben. Im Einzelnen ist in den Figuren Folgendes dargestellt:following The invention will be described in more detail with reference to figures. In detail the following is shown in the figures:
In
In
der vorliegenden Ausgestaltung wird die elektrische Antriebsmaschine
von einem nicht näher dargestellten
Generator, der an einen Dieselmotor oder eine Gasturbine gekoppelt
ist, gespeist und ist insbesondere als schnell laufender Elektromotor
ausgebildet. Hierbei wird unter schnell laufend eine Drehzahl verstanden,
die höher
liegt als die erwünschte
Umlaufgeschwindigkeit des Schiffspropellers
Erfindungsgemäß umfasst
der Antriebsstrang für
den elektromechanischen Schiffsantrieb ein hydrodynamisches Getriebe
Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
steht der erste Leistungszweig
Der
zweite Leistungszweig
Durch
die Steuerung bzw. Regelung des Leistungsflusses vom ersten Leistungszweig
Besonders
bevorzugt wird eine direkte Kopplung der hydrodynamischen Komponente
Der
vom Überlagerungsgetriebe
Im
Einzelnen sind die Komponenten zur drehbaren Lagerung und zur Orientierung
des Ruderpropellers nicht in
Zur Weitergestaltung des erfindungsmäßigen Antriebsstrangs kann eine nachfolgende Getriebekomponete zwischen hydrodynamischem Getriebe und Schiffspropeller eingesetzt werden. Dies kann sowohl eine Planetenradstufe mit festem Übersetzungsverhältnis als auch ein Koppelgetriebe im Verbund mit dem hydrodynamischen Getriebe sein.to Further design of the inventive drive train may be a subsequent transmission component between hydrodynamic Gearbox and ship propeller are used. This can both a fixed gear ratio planetary gear as also a coupling gear in conjunction with the hydrodynamic transmission be.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |