DE102011105881A1

DE102011105881A1 - Hydraulischer Kraftbypass bei Ruderpropellerantrieben

Info

Publication number: DE102011105881A1
Application number: DE201110105881
Authority: DE
Inventors: Manfred Heer
Original assignee: Schottel GmbH
Current assignee: Schottel GmbH
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012171594A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit einem Kraftstrang der mindestens aus einem Verbrennungsmotor, einer Schaltkupplung, einem Umlenkgetriebe und einem Antriebspropeller besteht, wobei der Propeller an der Abtriebswelle des Umlenkgetriebes einer schwenkbaren Gondel unterhalb des Schiffsbodens befestigt ist und die Gondel sich um 360 Grad verschwenken lässt, wobei die Verschwenkung durch mindestens einen Hydroverstellmotor erfolgt und sich innerhalb des Schiffskörpers befindet, wobei parallel zur Schaltkupplung ein hydraulischer Kraftbypass im Kraftstrang existiert, der mit einer Hydropumpe und mit einem Hydromotor die Schaltkupplung in ihrem ausgekuppelten Zustand überbrückt, wobei die Hydropumpe und/oder der Hydromotor verstellbar ist bzw. sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit einem Kraftstrang, der mindestens aus einem Verbrennungsmotor, einer Schaltkupplung, einem Umlenkgetriebe und einem Antriebspropeller besteht, wobei der Propeller an der Abtriebswelle des Umlenkgetriebes einer schwenkbaren Gondel unterhalb des Schiffsbodens befestigt ist und die Gondel sich um 360 Grad verschwenken lässt, wobei die Verschwenkung durch mindestens einen Hydroverstellmotor erfolgt und sich innerhalb des Schiffskörpers befindet.
Bei Ruderpropellerantrieben werden anders als bei konventionell angetriebenen Schiffen diese nicht mittels starren Wellen/Antriebswellen mit angebrachten Propellern und schwenkbaren Ruderblättern gesteuert, sondern die Steuerung des Schiffes erfolgt über ein Verschwenken des außer Bord liegenden Ruderpropellers.
Ruderpropellerantriebe werden dabei für Aufgaben eingesetzt, bei denen eine hohe Manövrierbarkeit essenziell wichtig ist. Ruderpropellerantriebe haben im Vergleich zu Antrieben mit starren Antriebswellen eine viel bessere Ruderwirkung. Die bessere Ruderwirkung wird dadurch erreicht, dass die unter dem Schiff befindliche Propellergondel verschwenkbar ist. Aufgrund der Stellung der Propellergondel und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers kann eine Ruderbewegung sehr genau erfolgen. Dies ermöglicht ein punktgenaues Positionieren des Schiffes sowie ein Wenden auf der Stelle. Für den Antrieb von Ruderpropeller-Antrieben bei Schiffen werden im Allgemeinen Verbrennungsmotoren eingesetzt, die zum Antrieb des jeweiligen Antriebspropellers die entsprechende Antriebsleistung erbringen. Die Verbrennungsmotoren sind an entsprechender Stelle im Schiffsrumpf angeordnet, und leiten die Antriebsenergie an die Antriebspropeller über einen Kraftstrang weiter. Zum Einsatz kommen als Verbrennungsmaschinen vor allem Dieselmotoren. Dabei kann ein Dieselmotor für einen oder auch mehrere Propeller die Antriebsleistung bereitstellen. Dabei weisen Dieselmotoren wie auch andere Verbrennungsmotoren einen Drehzahlbereich auf, der zwischen einer minimalen Drehzahl und einer maximalen Drehzahl liegt. Je nach Motor weisen diese unterschiedliche Drehzahlbereiche auf. Die minimale Drehzahl stellt hierbei die Leerlaufdrehzahl des Motors dar. Unterhalb der Leerlaufdrehzahl kommt es zum unrunden Lauf oder aber auch zum Stoppen des Verbrennungsprozesses und somit zum Abwürgen oder auch Absterben des Motors.
Der Kraftstrang eines Schiffsantriebes für einen Ruderpropeller erfolgt vom Dieselmotor über eine entsprechende Kupplung oder auch kraftleitende Verbindungen wie Gelenkwellen zu einem Schaltelement z. B. einer Schaltkupplung. Hierbei kommen unterschiedliche Arten von Kupplungen zum Einsatz. Verbreitet ist besonders der Einsatz von Reibungs- und Flüssigkeitskupplungen. Mittels der Schaltkupplung kann die Antriebsleistung ein/oder auch ausgeschaltet werden. Dabei hat die Schaltkupplung eine Eingangs- und eine Ausgangsseite. Der Kraftstrang weist im geöffneten Zustand an der Ausgangsseite der Schaltkupplung keine Antriebsleistung auf und eine Drehzahl gleichzeitig von Null Umdrehungen pro Minute. Zeitgleich liegt an der Eingangsseite die entsprechende Antriebsleistung und Drehzahl des Motors an. Der Schaltkupplung nachgeordnet befinden sich weitere kraftleitende Baugruppen. Hierzu gehören Winkelgetriebe oder auch Über-/ bzw. Untersetzungsgetriebe, jedoch keine mehrgängigen Schaltgetriebe. Die Winkelgetriebe oder auch Über-/ bzw. Untersetzungsgetriebe, welche dann in der Anordnung im Kraftstrang folgen, befinden sich entweder innerhalb des Schiffsrumpfes und/oder außerhalb des Schiffsrumpfes im sogenannten Gondelschaft oder auch in der daran befestigten Propellergondel. Am Ausgang der Welle, die die Propellergondel verlässt, ist der Antriebspropeller angeordnet. In einigen Ausführungen weist eine Propellergondel zwei Propeller auf. Da sich hierbei die Technik für ein- oder mehrpropellrige Systeme gleicht, wird nachfolgend nur noch von Aufbauten mit einem Propeller gesprochen.
Das Verschwenken des außer Bord liegenden Ruderpropellers inklusive der Gondel und dem Ruderpropellerschaft erfolgt im Allgemeinen mittels separater Motoren. Das Verschwenken der Unterwassereinheit kann mittels verschiedener unterschiedlich aufwendiger technischer Systeme erfolgen. Hierbei sind u. a. elektrische und hydraulische Antriebssysteme bekannt.
Bei Schiffen, die durch derartige Ruderpropelleranlagen angetrieben werden, zeigt sich bei geringen Geschwindigkeiten, d. h. bei langsamer Fahrt oder auch dem Manövrieren folgender Umstand:
Langsame Fahrt wird erreicht durch langsame Umdrehungsgeschwindigkeiten des Propellers. Da die minimale Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers abhängig ist von der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors, weist der Propeller eine Mindestumdrehungsdrehzahl auf. Die Mindestumdrehungszahl ist von der Mindestdrehzahl des Verbrennungsmotors verschieden, da im Allgemeinen eine Untersetzung der Drehzahl zu langsameren Drehzahlen benötigt wird. Sollte der Propeller sich nicht drehen, so wurde mittels der Schaltkupplung ausgekuppelt.
Der Propeller kann also in einem Bereich zwischen Null Umdrehungen pro Minute und der untersetzten Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors keine konstante Drehzahl abgeben. Durch Betätigen der Schaltkupplung wird dem Propeller Antriebsleistung intervallartig zur Verfügung gestellt. Bei benötigter Geschwindigkeit im Drehzahlbereich, kleiner der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors, wird die Abtriebsleistung des Propellers durch die Schaltkupplung ein- und ausgeschaltet.
Insbesondere bei Rangier- bzw. Manövriertätigkeiten beim An- oder Ablegen von Kaianlagen oder aber auch bei dem Betrieb von Schleppern oder Lastschiffen bedeutet dies eine hohe Schalthäufigkeit der Schaltkupplungen.
Die Schaltvorgänge rufen eine ruckende bzw. bockende Bewegung des Schiffes hervor, welches sich je nach Schiffsgröße zumindest in verstärkten Vibrationen bemerkbar macht. Ruckend oder bockend deshalb, da der Propeller entweder bei „Null-Drehzahl” oder mit der „Minimum-Leerlauf-Drehzahl” des Verbrennungsmotors bei berücksichtigtem Untersetzungsverhältnis arbeitet.
Der Drehzahlbereich unterhalb der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors kann mit Schlupfkupplungen bzw. Strömungskupplungen teilweise erschlossen werden. Die Schlupfkupplungen unterliegen hierbei einem hohen Verschleiß, der bauartbedingt z. B. bei Lamellenkupplungen einen Verschleiß der Lamellen bedeutet. Hierbei brauchen insbesondere die Schlupfkupplungen aufgrund der thermischen Belastung viel Bauraum, da die Lamellen durch Reibung die Drehmomente übertragen. Da Schaltvorgänge eine gleitende Bewegung der Lamellenpaare beinhaltet bis Haftreibung eintritt, entsteht an der Oberfläche der Lamellen eine hohe Reibungsenergie. Hierbei wird die Differenzdrehzahl der beiden Kupplungshälften bei Gleitreibung in Wärme umgesetzt. Aufgrund der thermisch freiwerdenden Energie sind Schlupfkupplungen sehr groß, um eine ausreichende Kühlung zu erhalten. Die ebenfalls einsetzbare Strömungskupplung ist als hydraulisches Bauteil im Aufbau komplex, bauraumintensiv und gleichzeitig wartungsintensiv, da Leckagen schnell auftreten können und entsprechende Dichtungsvorrichtungen Wartungsintervallen unterworfen sind.
Es kommen auch formschlüssige Kupplungen zum Einsatz. Hierbei muss jedoch im Moment des Durchkuppelns eine synchrone Drehzahl oder annähernd synchrone Drehzahl zwischen beiden Teilen der Kupplung erreicht sein. Bei exakter Synchronität kann z. B. eine formschlüssige Kupplung (Bogenzahnkupplung, Klauenkupplung) Verwendung finden.
Die bekannten Bauformen bieten darüber hinaus im unteren Drehzahlbereich keine genaue Steuerungsmöglichkeit der Drehzahl und des Drehmomentes. Dies liegt bei den hydraulischen Komponenten vor allen Dingen daran, dass ein Mindestdurchfluss benötigt wird, um eine Drehzahl und Drehmomentleitung hervorzurufen. Bei den Schlupfkupplungen ist aufgrund der Abnutzung der Lamellen eine genaue Justierung schwierig, sodass hier ebenfalls in diesem Drehzahlbereich keine gesicherte Antriebsleistung abgegeben werden kann. Dies bedeutet für das genaue Manövrieren, insbesondere beim Anlegen größerer Schiffe an einen Kai an einer Anlegestelle, ein Gefahrenpotenzial, da es zu einer Beschädigung des Schiffes/Schiffsrumpfes oder aber auch der Anlegestelle kommen kann.
Beide Kupplungssysteme sind aufgrund des Aufbaues sehr kostenintensiv. Aufgrund von Sicherheitsaspekten kommen hydraulische Kupplungen jedoch kaum zum Einsatz.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Schiffsantrieb der eingangsgenannten Art so zu verbessern, dass eine Drehzahlreglung im Drehzahlsegment von Null bis zur Leerlaufdrehzahl des entsprechenden Antriebsenergie liefernden Verbrennungsmotors ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass parallel zur Schaltkupplung ein hydraulischer Kraftbypass im Kraftstrang existiert, der mit einer Hydropumpe und mit einem Hydromotor die Schaltkupplung in ihrem ausgekuppelten Zustand überbrückt, wobei die Hydropumpe und/oder der Hydromotor verstellbar ist bzw. sind.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein besonderer Aufbau, ein sogenannter paralleler Kraftbypass zum Antriebssystem hinzugefügt. Dieser besteht aus einer an die Schaltkupplung eingangsseitig angeschlossenen Hydropumpe und eine an die Schaltkupplung ausgangsseitig zu und abschaltbarem Hydromotor, der auch als Hydropumpe genutzt werden kann. Im benötigten Drehzahlbereich des Propellers kleiner der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors bleibt die Schaltkupplung geöffnet und die Hydraulikpumpe fördert einen Volumenstrom. Ein Teil davon wird zur Verschwenkung der Propellergondel verwendet. Der übrige Teil treibt den Hydromotor an, der zum ausgangsseitigen Teil der Schaltkupplung zugeschaltet wird und so ein Drehmoment in den Kraftstrang einleitet. Somit ist es möglich, durch den Verbrennungsmotor des Hauptantriebes, der in beliebiger Drehzahl läuft, bei geöffneter Schaltkupplung im Hauptkraftstrang mittels des zur Schaltkupplung parallelen Kraftbypasses im Pumpenmotorbetrieb den Propeller genau drehzahlvariabel anzutreiben, unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors.
Ein Vorteil ist, dass die Antriebsdrehzahl unterhalb der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors im Betrieb variabel verstellt werden kann.
Von Vorteil ist weiterhin, dass aufgrund des hydraulischen Aufbaus zwischen ursprünglichem Kraftstrang und parallelem Kraftstrang ruckel-/stoßfrei umgeschaltet werden kann. Ein Umschalten zwischen Antriebsleistung, die vom Verbrennungsmotor bereitgestellt wird bei abnehmender benötigter Propellerdrehzahl, auf Antrieb des Propellers wird mittels des hydraulischen Kraftbypasses erreicht. Ebenso kann die Umschaltung von sehr geringen Drehzahlen hin in Drehzahlbereiche über der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors unterbrechungsfrei erfolgen.
Ein besonderer Vorteil ist, dass der hydrostatische Bypassantrieb über einen parallelen Kraftbypass es technisch ermöglicht, die Drehzahlregelung des Propellers sehr genau vorzunehmen. Diese ist somit von der Drehzahl „Null” bis hin zur Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors kontinuierlich veränderlich möglich.
Von Vorteil ist insbesondere, dass grundsätzlich die Möglichkeit besteht, dass die Hydropumpe, welche die Antriebsleistung für den Hydromotor zur Verschwenkung des außerbords befindlichen Ruderpropellers bereitstellt (Azimutverstellung), gleichzeitig auch die Antriebsleistung für den Hydromotor bereitstellt und im niedrigen Drehzahlbereich den Propeller antreibt.
Von Vorteil ist hierbei ebenfalls, dass der neu hinzugefügte Hydromotor auch als Hydropumpe eingesetzt werden kann. Dazu ist die Schaltkupplung geschlossen und der Hydromotor wird ausgangsseitig von der Schaltkupplung über die kraftmäßige Ankopplung angetrieben. Der Hydromotor agiert in diesem Fall als Hydropumpe. Der geförderte Volumenstrom wird für die Verschwenkung der Propellergondel verwendet. Dies ist besonders wichtig im Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors größer dem der Leerlaufdrehzahl. Bei Drehzahlen größer der Leerlaufdrehzahl weist das Schiff eine höhere Geschwindigkeit auf oder soll diese erreichen. Höhere Drehzahlen sind aber auch zur Steuerung des Schiffes notwendig, wenn schnelle Manöver gefahren werden. Beim Ändern des Kurses oder beim Manövrieren mit größerer Geschwindigkeit wird eine große Kraft und somit eine entsprechend große Leistung benötigt, um den Ruderpropeller zu verschwenken, da beim Verschwenken Strömungswiderstände überwunden werden müssen. Hierzu wird der zusätzliche Volumenstrom benötigt.
Ein besonderer Vorteil der Doppelverwendung als Hydromotor und Hydropumpe ist das Energieeinsparpotenzial, da ein Großteil der erforderlichen hydraulischen Leistung für den Propellerantrieb dadurch erbracht werden kann, dass die Azimutverstellung in diesem unteren Drehzahlbereich (kleiner Leerlaufdrehzahl) nur ca. 20% ihrer Nennleistung benötigt und damit durch z. B. ein Wegschalten aller Hydraulikmotoren der Azimutverstellung (Verschwenkung der Ruderpropellergondel) bis auf einen, schon ein erheblicher Volumenstrom für den Propellerantrieb zur Verfügung steht. Der zur Verfügung stehende Volumenstrom auf der eingangsseitig an die Schaltkupplung angekoppelten Hydropumpe kann weiter erhöht werden, in dem man die Dieselmotordrehzahl anhebt, bei zeitgleich weiterhin geöffneter Schaltkupplung.
Von Vorteil ist auch, dass die ursprüngliche Hydropumpe, die eingangsseitig an der Schaltkupplung angekoppelt ist, kleiner dimensioniert werden kann, da sie bei benötigtem größerem Fördervolumen durch die weitere Hydropumpe unterstützt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, dass der Volumenstrom der Hydropumpe in besonderen Fällen, z. B. Notfällen, mittels der Motordrehzahl gesteigert werden kann. Dies ermöglicht eine schnelle Ruderbewegung, was ggf. ein weites Verschwenken der Rudergondel bedarf, wobei ggf. gleichzeitig auch eine erhöhte Antriebsleistung am Ruderpropeller anliegen muss.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
1: Seitenansicht gesamten Kraftstranges im Schiff.
2: Draufsicht bei geschlossener Schaltkupplung
3: Draufsicht bei geöffneter Schaltkupplung
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, z. B. einen Dieselmotor, der die Antriebsenergie für den Kraftstrang bereitstellt. Dem Verbrennungsmotor 1 nachgeordnet befindet sich die Schaltkupplung 2. Die Schaltkupplung 2 wird dazu verwendet, den Kraftfluss zu unterbrechen. Die Schaltkupplung 2 hat einen Eingang 3 und einen Ausgang 4. Eine Hydropumpe 6 ist am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 über eine kraftmäßige Kopplung 5, z. B. einem Riementrieb, angekoppelt und ist hier wie ein Nebenverbraucher dem Kraftstrang zugeordnet. Am Ausgang 4 der Schaltkupplung 2 ist ein Hydromotor 7 wiederum über eine kraftmäßige Kopplung 5 z. B. einen Riementrieb angeschlossen. Die Hydropumpe 6 ist somit an den Hauptkraftstrang des Verbrennungsmotors angekoppelt, welche die Antriebsleistung für den Ruderpropeller selber liefert. Im Kraftstrang folgend befinden sich nach der Schaltkupplung je nach Ausführungsart Umlenkgetriebe, wie z. B. das Winkelgetriebe 14 sowie Über- bzw. Untersetzungsgetriebe, die sich im Gondelschaft 8 bzw. in der Propellergondel 9 befinden. Der Kraftstrang verläuft somit von Innerbords durch den Schiffsboden 10 nach außerbords, zur Unterseite des Schiffes. Dabei wird der Vortrieb des Schiffes durch den Propeller 11 erreicht. Durch einen (oder mehrere) Hydroverstellmotor(en) 12 wird der Gondelschaft 8 und die daran befestigte Propellergondel 9 verschwenkt, die Lage der außerbords befindlichen Anlagenteile somit verstellt. Der Begriff Verstellmotor bedeutet dabei nicht zwingend, dass der Motor in dem Verhältnis Volumenstrom zu Drehzahl einstellbar ist. Je nach Ausführungsform ist dies aber möglich. Durch das Verschwenken wird die Ruderbewegung des Schiffes erreicht und die Steuerbarkeit erreicht. Die Hydropumpe 6 liefert für den Hydroverstellmotor 12 den Volumenstrom. Der Hydroverstellmotor 12 wird auch als Azimutmotor bezeichnet, da bei dem Vorhandensein mehrerer Verstellhydromotoren pro Ruderpropelleraufbau diese um den eigentlichen Kraftstrang herum angeordnet sind. Die Hydropumpe 6 stellt somit die Leistung bereit, den Gondelschaft 8 und die Antriebsgondel 9 zu verschwenken, solange der Hauptantrieb (Verbrennungsmotor 1) arbeitet.
Die Hydropumpe 6 ist in der Förderleistung variabel und liefert einen Volumenstrom an einen oder mehrere Hydroverstellmotoren 12. Die Hydroverstellmotoren 12 verschwenken, in Abhängigkeit des bei der Hydropumpe 6 eingestellten Volumenstroms, die Propellergondel 9 langsam (geringer Volumenstrom) oder schnell (hoher Volumenstrom). Die Propellergondel 9 bewegt sich nicht, wenn eine Nullförderung bei der Hydropumpe 6 eingestellt ist.
Bei einer Unterbrechung des Kraftstranges durch Öffnen der Schaltkupplung 2 – Eingang 3 und Ausgang 4 weisen keine kraftschlüssige Verbindung auf – kann über die Hydropumpe 6 ein Volumenstrom in den Hydromotor 7 geleitet werden. Der Hydromotor 7 kann über die bestehende kraftmäßige Ankopplung 5 an den Ausgang 4 der Schaltkupplung 2 den Kraftfluss wieder in den eigentlichen Kraftstrang einleiten. Der Kraftfluss verläuft somit vom Verbrennungsmotor 1 über den Eingang 3 der Schaltkupplung 2 über die kraftmäßige Ankopplung 5 über die Hydropumpe 6 hin zum Hydromotor 7 von dort über die kraftmäßige Ankopplung 5 zur Ausgangsseite 4 der Schaltkupplung 2 und wird von da aus über ggf. vorhandene Umsetzungs- bzw. Winkelgetriebe im Gondelschaft 8 und der Propellergondel 9 zum Antriebspropeller 11 geleitet.
Die hydraulische Verbindung über die Hydropumpe 6 und dem Hydromotor 7 wird als hydraulischer Kraftbypass 13 bezeichnet. Der Kraftfluss fließt, bei geöffneter Schaltkupplung 2, vom Eingang 3 der Schaltkupplung 2 über die Hydropumpe 6 und über den Hydromotor 7 zum Ausgang 4 der Schaltkupplung 2 und gelangt anschließend über weitere Kraft leitende Komponenten zum Propeller 11.
Die Umschaltung der Funktion des Hydromotors 7, der entweder als Hydromotor oder als Hydromotor in Funktion einer Pumpe eingesetzt wird, erfolgt u. a. durch die Hydraulikschaltung 15.
2 zeigt den exemplarischen Aufbau mit dem Kraftstrang vom Verbrennungsmotor 1 bis zum Winkelgetriebe 14 in einer Draufsicht in einer der möglichen Schaltstellungen der Schaltkupplung 2. Hierbei ist die Schaltkupplung 2 geschlossen. Von dem Verbrennungsmotor geht eine Welle mit der Drehzahl n₃ in Richtung Schaltkupplung 2. Am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 ist die kraftmäßige Ankopplung 5 dargestellt, welche in diesem Ausführungsbeispiel schematisch als Getriebe ausgeführt wurde. Die kraftmäßige Ankopplung 5 leitet die Antriebsleistung an die Hydropumpe weiter. Der Hydropumpe 6 nachgeschaltet ist der hydraulische Kraftbypass 13 ersichtlich. Über den hydraulischen Kraftbypass 13 fließt ein Volumenstrom, dessen Richtung durch einen Pfeil dargestellt ist. Die Hydraulikschaltung 15 steuert und verteilt den Volumenstrom und die Flussrichtung. Über die Hydrauliksteuerung 15 fließt der benötigte Volumenstrom zu den Hydroverstellmotoren 12. Der Volumenstrom setzt sich aus der Fördermenge der Hydraulikpumpe 6 und des als Pumpe arbeitenden Hydromotors 7 zusammen. Die Flußrichtung des Volumenstromes des Hydromotors, der als Pumpe arbeitet, ist ebenfalls durch einen Pfeil dargestellt. Der Hydromotor 7 wird ebenfalls über eine kraftmäßige Ankopplung 5 mit Antriebsleistung versorgt. Der Kraftfluss der Antriebsleistung erfolgt jedoch über die kraftmäßige Ankopplung 5 an der Welle, welche sich mit der Drehzahl n₄ dreht, vom Ausgang 4 der Schaltkupplung 2 aus hin zum Hydromotor 7. Die Welle die sich mit der Drehzahl n₄ dreht verläuft zum Winkelgetriebe 14, welches in der Draufsicht dargestellt ist. Von dort aus verläuft der Kraftfluss in die Blattebene hinein zum Antriebspropeller. Im Zustand, in dem die Schaltkupplung geschlossen ist, sind die Drehzahlen n₃ und n₄ gleich groß.
3 zeigt den exemplarischen Aufbau mit dem Kraftstrang vom Verbrennungsmotor 1 bis zum Winkelgetriebe 14 in einer Draufsicht in einer der möglichen Schaltstellungen der Schaltkupplung 2. Hierbei ist die Schaltkupplung 2 geöffnet. Von dem Verbrennungsmotor geht eine Welle mit der Drehzahl n₃ in Richtung Schaltkupplung 2. Am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 ist die kraftmäßige Ankopplung 5 dargestellt, welche in diesem Ausführungsbeispiel schematisch als Getriebe ausgeführt wurde. Die kraftmäßige Ankopplung 5 leitet die Antriebsleistung an die Hydropumpe weiter. Der Hydropumpe 6 nachgeschaltet ist der hydraulische Kraftbypass 13 ersichtlich. Über den hydraulischen Kraftbypass 13 fließt ein Volumenstrom, dessen Richtung durch einen Pfeil dargestellt ist. Die Hydraulikschaltung 15 steuert und verteilt den Volumenstrom und die Flußrichtung. Über die Hydrauliksteuerung 15 fließt der benötigte Volumenstrom zu den Hydroverstellmotoren 12 und zum Hydraulikmotor 7. Die Flußrichtung des Volumenstromes zum Hydromotor ist ebenfalls durch einen Pfeil dargestellt. Der Volumenstrom zum Hydromotor 7 wird im Hydromotor in eine mechanische Antriebsleitung umgesetzt. Die Antriebsleistung wird über die kraftmäßige Ankopplung 5, die an den Ausgang 4 der Schaltkupplung 2 angreift, an die Welle abgegeben. Der Kraftfluss der Antriebsleistung über den hydraulischen Kraftbypass 13 ruft dort die einstellbare Drehzahl n₄ hervor. Die Welle, die sich mit der Drehzahl n₄ dreht, verläuft zum Winkelgetriebe 14, welches in der Draufsicht dargestellt ist. Von dort aus verläuft der Kraftfluss in die Blattebene hinein zum Antriebspropeller. Im Zustand, in dem die Schaltkupplung geschlossen ist, ist die Drehzahl n₃ größer als die Drehzahl n₄.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Hydropumpe 6 in einer kleineren Baugröße verwendet werden. Dies ist möglich, da die Hydropumpe 6 nur bei sehr geringerer Vortriebsgeschwindigkeit den Volumenstrom für das Verschwenken von Gondelschaft 8 und Propellergondel 9 bewirken muss. Die gleichzeitig von der Hydropumpe 6 bereitgestellte Antriebsleistung über einen Volumenstrom zum Hydromotor 7 für den Propellerantrieb ist dabei gering. Bei geringen Antriebsumdrehungsdrehzahlen des Propellers 11 wird für ein Verschwenken von Gondelschaft 8 und Propellergondel 9 nur ein geringer Volumenstrom benötigt. Gleichzeitig benötigt der Propeller 11 nur eine geringe Umdrehungsdrehzahl, die vom Hydromotor 7 bereitgestellt wird. Für diesen Anwendungsfall wird die Hydropumpe 6 in einer geringeren Baugröße vorgesehen.
Bei höheren Propellerumdrehungsdrehzahlen des Propellers 11 befindet sich der Aufbau, wie er in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, im Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 1 größer der Leerlaufdrehzahl. Hierzu kann die in ihrer Baugröße verringerte Hydropumpe 6 nicht mehr den ausreichenden Volumenstrom für alle Hydroverstellmotoren 12 bereitstellen. Jedoch kann der Hydromotor 7 auch als Hydropumpe betrieben werden. Dies ist möglich, wenn die Schaltkupplung 2 zwischen Eingang 3 und Ausgang 4 eine kraftmäßige Kopplung hergestellt hat. Die Hydropumpe 6 erhält über die kraftmäßige Ankopplung 5 Antriebsenergie, um einen Volumenstrom hervorzurufen. Der Hydromotor 7 erhält über die kraftmäßige Ankopplung 5 ebenfalls ein Antriebsmoment, um einen Volumenstrom herzustellen. Beide bereitgestellten Volumenströme werden zusammen genutzt, um die Verstellung der Hydroverstellmotoren 12 zu gewährleisten. Somit wird mit einem einfachen hydraulischen Schaltaufbau der Hydromotor 7 für Hydropumpenbetrieb genutzt, insbesondere in Drehzahlbereichen größer der Leerlaufdrehzahl.
In einer Ausführungsform wird die Hydropumpe, die am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 angekoppelt ist, bei Förderung eines Volumenstroms über den hydraulischen Kraftbypass 13 vom Verbrennungsmotor 1 im gesamten Drehzahlbereich von Leerlauf bis Nenndrehzahl angetrieben. Somit kann eine fest eingestellte Fördermenge der Hydropumpe 6 durch Veränderung der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors 1 verändert werden. Die Fördermenge, also der Volumenstrom, der über den hydraulischen Kraftbypass 13 fließt, kann neben der einstellbaren Förderleistung der Hydropumpe 6 auch über ein Variieren der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 verändert werden. Dies ermöglicht insbesondere eine Vergrößerung des Volumenstroms über den hydraulischen Kraftbypass 13 der Hydropumpe 6 in Situationen, wo schnelle Steuer- bzw. Manövrieraktionen am Schiff durchgeführt werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Hydropumpe, die am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 angekoppelt ist, eine Verstellpumpe.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Hydropumpe 6, die am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 angekoppelt, ist keine Verstellpumpe, da durch den Einsatz entsprechender Ventiltechnik zur Ausspeisung überflüssigen Volumenstromes eine Konstantpumpe eingesetzt wird.
In einer Ausführungsform ist der Hydromotor 7, der am Ausgang 4 der Schaltkupplung 2 angekoppelt ist, ein Konstanthydromotor. Sofern ein Konstanthydromotor Verwendung findet, kann dieser z. B. im eingekuppelten, auch „durchgekuppelten Betrieb” genannt, also kraftschlüssigen Betrieb der Schaltkupplung durch die Hydropumpe 6, die am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 angekoppelt ist, kompensiert werden oder in Leerlaufzirkulation geschaltet werden. Im durchgekuppelten Betrieb und bei voller Azimutdrehzahl (Drehzahl der Verstellmotoren 12 zur Verschwenkung des Ruderpropellers) arbeiten aber beide Hydraulikkomponenten im Pumpenbetrieb.
In einer Ausführungsform ist der Hydrometer 6, der am Ausgang 4 der Schaltkupplung 2 angekoppelt ist, ein Verstellmotor.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform entfallen aufwendige Stufenschaltungen oder Druckregelungen der reibschlüssigen Kupplung, da durch den hydraulischen Kraftbypass 13 Eingang und Ausgang der Schaltkupplung synchronisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform entfällt die Schaltkupplung 2 vollständig, wenn der hydraulische Kraftbypass 13 stattdessen ein Planetengetriebe enthält, welches als Überlagerungsgetriebe mit einem Antrieb durch den Hauptantriebsmotor des Propellerantriebes und einem weiteren Antrieb durch eine der Hydraulikeinheiten ausgeführt wird. Aber auch im Falle der Verwendung einer reibschlüssigen Kupplung muss diese nur noch statisch, also für die reibschlüssige Übertragung des Momentes ausgelegt sein. Thermisch wird die Kupplung nicht mehr beansprucht.
In einer Ausführungsform muss die Hydropumpe, die am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 angekoppelt ist, die Leistung für den hydraulischen Antrieb der Sekundärseite sowie die Leistung zum Antrieb des Azimutantriebes bereitstellen. Damit die Hydropumpe, die am Eingang 3 der Schaltkupplung 2 angekoppelt ist, nicht unnötig groß dimensioniert werden muss, können die je nach Größe des Ruderpropellerantriebes mehrfach vorhandenen Azimutantriebe (Hydromotoren) teilweise weggeschaltet werden. Dies ist möglich, weil im Drehzahlbereich unterhalb der Leerlaufdrehzahl auch der Azimutantrieb nur einen Bruchteil seiner Auslegungsleistung aufnimmt. Der Propellerantrieb hat einen ca. kubischen Leistungsverlauf über die Drehzahl und damit nimmt der Propellerstrang bei Leerlaufdrehzahlen, die typischerweise 30–40% der Nenndrehzahl betragen, nur rund 10% seiner Leistung auf. Ähnlich verhält es sich mit der Azimutleistung. Dementsprechend können bei einer Ausführungsform eines Ruderpropellerantriebes mit 2–5 Azimutantrieben alle bis auf einen weggeschaltet werden.

Claims

Schiffsantrieb mit einem Kraftstrang der mindestens aus einem Verbrennungsmotor, einer Schaltkupplung, einem Umlenkgetriebe und einem Antriebspropeller besteht, wobei der Propeller an der Abtriebswelle des Umlenkgetriebes einer schwenkbaren Gondel unterhalb des Schiffsbodens befestigt ist und die Gondel sich um 360 Grad verschwenken lässt, wobei die Verschwenkung durch mindestens einen Hydroverstellmotor erfolgt und sich innerhalb des Schiffskörpers befindet, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Schaltkupplung ein hydraulischer Kraftbypass im Kraftstrang existiert, der mit einer Hydropumpe und mit einem Hydromotor die Schaltkupplung in ihrem ausgekuppelten Zustand überbrückt, wobei die Hydropumpe und/oder der Hydrometer verstellbar ist bzw. sind.
Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftfluss des Schiffsantriebes wahlweise über die Schaltkupplung oder den hydraulischen Kraftbypass erfolgt.
Schiffsantrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Öffnen der Schaltkupplung der Kraftfluss über den hydraulischen Kraftbypass läuft.
Schiffsantrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen der Schaltkupplung bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere unterhalb der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors, erfolgt.
Schiffsantrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydropumpe die hydraulische Leistung für den Hydroverstellmotor zur Antriebsverschwenkung liefert.
Schiffsantrieb nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydropumpe gemeinsam mit dem dann als Pumpe arbeitenden Hydromotor bei Kraftfluss über die Schaltkupplung die hydraulische Leistung für den Hydroverstellmotor zur Antriebsverschwenkung liefern.