DE102022204669A1

DE102022204669A1 - Verstellpropelleranordnung

Info

Publication number: DE102022204669A1
Application number: DE102022204669.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Junglewitz
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-05-12
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2023-11-16
Also published as: WO2023217561A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstellpropelleranordnung (1), umfassend eine Antriebswelle (2), die sich in einer Längsrichtung (3) erstreckt, und einen Verstellpropeller (4), dessen Nabe (5) mit der Antriebswelle (2) mechanisch verbunden ist, wobei der Verstellpropeller (4) mehrere Propellerblätter (6) und ein sich durch die Nabe (5) in der Längsrichtung (3) erstreckendes Einstellelement (7) umfasst, das mit den Propellerblättern (6) mechanisch verbunden ist, so dass eine Steigung der Propellerblätter (6) durch die Position des Einstellelements (7) in der Längsrichtung (3) gesteuert wird, wobei die Antriebswelle (2) an ihrem propellerseitigen Ende (8) als Hohlzylinder ausgeführt ist, in dem das Einstellelement (7) in Längsrichtung (3) beweglich angeordnet ist, wobei das der Antriebswelle (2) abgewandte Ende (10) des Einstellelements (7) einen Kolben (11) ausbildet, der sich radial erstreckt und zusammen mit einem umgebenden Gehäuse (12) zwei abgeschlossene Hohlräume (13) bildet, deren Volumina sich durch die Bewegung in Längsrichtung (3) des Einstellelements (7) zueinander komplementär verhalten, wobei eine Fördervorrichtung (14) zur bidirektionalen Förderung eines flüssigen Mediums (15) zwischen den Hohlräumen (13) vorgesehen ist, um das Einstellelement (7) wahlweise in die eine oder die andere Längsrichtung (3) zu bewegen, wobei sich die Fördervorrichtung (14) mit der Antriebswelle (2) dreht und mit dem Kolben (11) bewegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstellpropelleranordnung mit mehreren an einer Propellernabe um eine radiale Verstellachse verstellbar gelagerten Propellerblättern.
Die Verstellung der Blätter größerer Verstellpropeller erfolgt in der Regel über eine hydraulische Verstellung. Dabei sind zwei durch einen Kolben getrennte Zylinderräume jeweils für Voraus- oder Zurückstellung in einer Propellernabe untergebracht. Um diese Zylinderräume mit hydraulischem Druck zu beaufschlagen, muss durch die rotierende Antriebswelle eine Zuführung bzw. Rückführung des Verstellmediums (in der Regel Hydrauliköl) zu einer Verstelleinheit im Schiff erfolgen. Dies ist sehr aufwendig, teuer, verschleiß- und fehleranfällig insbesondere die OD-Box (oil distribution box) mit deren Hilfe das Verstellmedium vom schiffsfesten in das rotierende System (Welle) übertragen wird.
Die Funktion der hydraulischen Verstellung besteht darin, dass mit hohem Druck ein Verstellmedium in einen der Zylinderräume gepumpt wird, um dessen Volumen zu vergrößern. Damit sich der Kolben bewegen kann, muss gleichzeitig der zweite Zylinderraum auf der anderen Seite des Kolbens das darin befindliche Verstellmedium nach außen (z.B. in ein in der hohlen Propellerwelle befindliches Ölrohr) abgeben können. Es gibt zwei grundsätzliche Lösungsmöglichkeiten, dies zu realisieren:

a) Bei einer Anlage mit einem Getriebe wird das Getriebe derart ausgeführt, dass über die Stirnseite der Propellerwelle innerhalb des Getriebes Rohre in eine Zentralbohrung der Propellerwelle eingeführt werden, die wechselweise die Zu- und Abfuhr des hydraulischen Verstellmediums realisieren. Mit Steuerdruck beaufschlagte Ventile sorgen für die Öffnung beim Vorgang.
b) Mittels einer bereits oben erwähnten sogenannten OD-Box wird das Verstellmedium über radiale Bohrungen zu den innenliegenden (d.h. in der Propellerwelle liegenden) Rohren geleitet. Dabei sind die entsprechenden Kammern so abgedichtet, dass das Verstellmedium nicht in axialer Richtung strömen kann, sondern erst nachdem es das Rohr im Zentrum der Welle erreicht hat. Die Kammern dichten ebenfalls den rotierenden gegen den feststehenden Bereich ab, so dass eine Zu- und Abfuhr aus dem und in das stehende schiffsfeste System erfolgen kann. Die US 4,907,992 offenbart eine solche OD-Box für einen Schiffsverstellpropeller.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der direkten Verstellung der Propellerblätter durch einen Elektromotor.
Bei kleineren Verstellpropellern kann die Aufgabe auch über eine Schubstange gelöst werden, die durch die hohle Propellerwelle geführt wird. Dann befindet sich die hydraulische Verstelleinheit komplett im Schiff. Allerdings wird weiterhin ein stirnseitiger Zugang in die hohlgebohrte Welle benötigt, sowie die Schubstange. Mit dieser technischen Lösung sind jedoch keine großen Propellerblätter verstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstellpropelleranordnung für vergleichsweise große Propellerblätter bereitzustellen, die bedeutend einfacher, kostengünstiger und zuverlässiger ist als bisher bekannte Verstellpropelleranordnungen.
Die Erfindung löst die auf eine Verstellpropelleranordnung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Verstellpropelleranordnung, umfassend eine Antriebswelle, die sich in einer Längsrichtung erstreckt, und einen Verstellpropeller, dessen Nabe mit der Antriebswelle mechanisch verbunden ist, wobei der Verstellpropeller mehrere Propellerblätter und ein sich durch die Nabe in der Längsrichtung erstreckendes Einstellelement umfasst, das mit den Propellerblättern mechanisch verbunden ist, so dass eine Steigung der Propellerblätter durch die Position des Einstellelements in der Längsrichtung gesteuert wird, wobei die Antriebswelle an ihrem propellerseitigen Ende als Hohlzylinder ausgeführt ist, in dem das Einstellelement in Längsrichtung beweglich angeordnet ist, das der Antriebswelle abgewandte Ende des Einstellelements einen Kolben ausbildet, der sich radial erstreckt und zusammen mit einem umgebenden Gehäuse zwei abgeschlossene Hohlräume bildet, die auch als Zylinderkammern bezeichnet werden und deren Volumina sich durch die Bewegung in Längsrichtung des Einstellelements zueinander komplementär verhalten, wobei eine Fördervorrichtung zur bidirektionalen Förderung eines flüssigen Mediums zwischen den Hohlräumen vorgesehen ist, um das Einstellelement wahlweise in die eine oder die andere axiale Richtung zu bewegen, wobei sich die Fördervorrichtung mit der Antriebswelle dreht und mit dem Kolben in axialer Richtung bewegt.
Da das Volumen des Verstellmediums, das in die eine Zylinderkammer hineingedrückt wird gleich dem Volumen des Verstellmediums ist, das aus der anderen Zylinderkammer abfließen muss, besteht die Idee darin, eine oder mehrere kleine Pumpen im rotierenden Teil der Verstellpropelleranordnung unterzubringen und die Verstellung durch direkte Förderung des Verstellmediums aus einer in die andere Kammer zu realisieren. Durch die Wirkung der Pumpen wird in einer Zylinderkammer der Druck erhöht (wohin das Verstellmedium fließt) und in der anderen abgesenkt (aus der das Verstellmedium gefördert wird). Durch diesen so erzeugten Differenzdruck kann der Kolben bewegt und die Propellerblätter verstellt werden. Die Blätter werden wie bisher auch, hydraulisch in ihrer Position gehalten, bis eine erneute Verstellung erfolgt. Da sich das Gesamtvolumen des Verstellmediums für eine Verstellung der Blätter nicht ändern muss, ist eine Verbindung in das Innere des Schiffs nicht mehr notwendig.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein überwiegender Teil der Antriebswelle als Vollwelle ausgebildet. Gemäß der Erfindung besteht keine Notwendigkeit mehr, ein Verstellmedium zwischen Propelleranordnung und Schiffinnerem hin- und her zu pumpen. Die Stromversorgung der Pumpen muss auch nicht durch die gesamte Antriebswelle in Längsrichtung verlegt werden, sondern kann beispielsweise über Schleifkontakte oder induktiv am propellerseitigen Ende der Antriebswelle oder vollständig außerhalb der Antriebswelle erfolgen.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die beiden Hohlräume einem gemeinsamen Hydrauliksystem angehören, welches vollständig innerhalb der rotierenden Verstellpropelleranordnung angeordnet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Fördervorrichtung im Kolben angeordnet und fluidisch mit den Hohlräumen verbunden. Diese Hohlräume liegen nur durch den Kolben getrennt direkt nebeneinander und es ergibt sich damit der kürzest-mögliche Weg für das Verstellmedium, wodurch Probleme der Dichtigkeit auf ein Minimum reduziert werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Fördervorrichtung im Einstellelement außerhalb des Kolbens anzuordnen und über Kanäle fluidisch mit den Hohlräumen zu verbinden. Dies kann Vorteile im Hinblick auf den Platzbedarf und ggf. auch auf die Bauteilintegrität des Kolbens mit sich bringen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Fördereinrichtung mindestens zwei Pumpen mit entgegengesetzter Pumprichtung. Die Kosten im Vergleich zu einer bidirektionalen Pumpe bei gleicher Gesamtpumpleistung sind in dieser Variante geringer.
Mit dieser Erfindung, bei der das hydraulische Verstellmedium ohne den Umweg über Rohre und zurück ins schiffsfeste nichtrotierende System aus der einen Zylinderkammer abgepumpt und in die andere Zylinderkammer gefördert wird, wodurch sich auch ein Differenzdruck aufbauen lässt, der zur gewünschten Verstellung führt, kann eine Verstellung der Propellerblätter bedeutend einfacher, kostengünstiger und zuverlässiger erfolgen. Die Propellerwelle benötigt keine Zentralbohrung mehr, es werden keine Rohre zum Transport des Verstellmediums mehr benötigt und es wird keine OD-Box mehr benötigt, die den Transfer des Verstellmediums aus dem schiffsfesten in das rotierende System übernimmt.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

1 eine Verstellpropelleranordnung gemäß der Erfindung und
2 eine alternative Verstellpropelleranordnung gemäß der Erfindung.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Verstellpropelleranordnung 1 gemäß der Erfindung. Die Verstellpropelleranordnung 1 umfasst eine Antriebswelle 2, die sich in einer Längsrichtung 3 erstreckt, und einen Verstellpropeller 4, dessen Nabe 5 mit der Antriebswelle 2 mechanisch verbunden ist. An der Nabe 5 sind ein oder mehrere Propellerblätter 6 angeordnet, von denen in 1 nur ein Propellerblatt 6 dargestellt ist.
Die in 1 dargestellte Verstellpropelleranordnung 1 umfasst weiter ein sich durch die Nabe 5 in der Längsrichtung 3 erstreckendes Einstellelement 7, das mit den Propellerblättern 6 mechanisch verbunden ist, so dass eine Steigung der Propellerblätter 6 durch die Position des Einstellelements 7 in der Längsrichtung 3 gesteuert wird.
Ein überwiegender Teil der Antriebswelle 2 als Vollwelle ausgebildet. Lediglich an ihrem propellerseitigen Ende 8 ist die Antriebswelle 2 als Hohlzylinder 9 ausgeführt, d.h., aus einem vollzylindrischen Ende der Antriebswelle 2 ist ein bezüglich Höhe und Durchmesser kleinerer Zylinder mit derselben Symmetrieachse herausgeschnitten, man könnte daher beim Ausführungsbeispiel der 1 auch von einer Sacklochbohrung sprechen, in dem das Einstellelement 7 in Längsrichtung 3 beweglich angeordnet ist.
Für die Erfindung ist es allerdings unerheblich, ob die Querschnitte des Einstellelements 7 und des „herausgeschnittenen“ kleineren Zylinders kreisförmig oder von einer anderen Form sind, da sich Antriebswelle 2 und Einstellelement 7 gemeinsam drehen. Sie müssen nur zueinander passen.
In diesem Fall ist die etwas allgemeinere Definition eines Zylinders aus der Mathematik anwendbar, wonach ein Zylinder durch eine in einer Ebene liegende sogenannte Leitkurve beschrieben wird, die entlang einer nicht in der Ebene liegenden Geraden verschoben wird. Ist die Leitkurve ein Kreis spricht man von einem Kreiszylinder, ist die Leitkurve ein Polygon, spricht man von einem Prisma.
Gemäß der Erfindung bildet das der Antriebswelle 2 abgewandte Ende 10 des Einstellelements 7 einen Kolben 11 aus, der sich radial erstreckt und zusammen mit einem umgebenden Gehäuse 12 zwei abgeschlossene Hohlräume 13 bildet, die einem gemeinsamen Hydrauliksystem angehören, welches vollständig innerhalb der rotierenden Verstellpropelleranordnung 1 angeordnet ist. Die Volumina der Hohlräume 13 verhalten sich durch die Bewegung des Einstellelements 7 in Längsrichtung 3 zueinander komplementär. Eine Fördervorrichtung 14 zur bidirektionalen Förderung eines flüssigen Mediums 15 zwischen den Hohlräumen 13 ist im Ausführungsbeispiel der 1 im Kolben 11 angeordnet, fluidisch mit den Hohlräumen 13 verbunden und dreht sich mit der Antriebswelle 2. Im Beispiel der 1 umfasst die Fördereinrichtung 14 zwei Pumpen 16 mit entgegengesetzter Pumprichtung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Pumpen 16 beschränkt und kann beispielsweise aus Redundanzgründen oder Platzgründen mit mehr als zwei Pumpen ausgerüstet sein, oder auch nur mit einer Pumpe, die bidirektional pumpen kann. Mit der Fördervorrichtung 14 kann das Einstellelement 7 wahlweise in Längsrichtung 3 bewegt und die Steigung der Propellerblätter 6 verstellt werden, ohne dass ein Verstellmedium 15 vom einem schiffsfesten in einen rotierenden Bereich bzw. wieder zurück gefördert werden muss.
Um nach Möglichkeit Längsbohrungen in der Antriebswelle 2 zu vermeiden, erfolgt die Energieversorgung der Fördervorrichtung 14 im Ausführungsbeispiel der 1 über einen Schleifkontakt 17 an der Nabe 5 zwischen dem schiffsfesten System und dem rotierenden System der Antriebswelle 2. Über einen weiteren Schleifkontakt 18 erfolgt die elektrische Verbindung zum axial verschiebbaren Einstellelement 7.
2 zeigt eine alternative Verstellpropelleranordnung 1 gemäß der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fördervorrichtung 14 im Einstellelement 7 angeordnet und über Kanäle 19 fluidisch mit den Hohlräumen 13 verbunden.
Die Erfindung beschränkt sich weder auf die in den beiden Ausführungsbeispielen gezeigten Anordnungen der Schleifkontakte 17, 18 noch auf Schleifkontakte im Allgemeinen. Als Alternative zu den Schleifkontakten 17,18 könnte eine Stromversorgung auch induktiv erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4907992 [0003]

Claims

Verstellpropelleranordnung (1), umfassend eine Antriebswelle (2), die sich in einer Längsrichtung (3) erstreckt, und einen Verstellpropeller (4), dessen Nabe (5) mit der Antriebswelle (2) mechanisch verbunden ist, wobei der Verstellpropeller (4) mehrere Propellerblätter (6) und ein sich durch die Nabe (5) in der Längsrichtung (3) erstreckendes Einstellelement (7) umfasst, das mit den Propellerblättern (6) mechanisch verbunden ist, so dass eine Steigung der Propellerblätter (6) durch die Position des Einstellelements (7) in der Längsrichtung (3) gesteuert wird, wobei die Antriebswelle (2) an ihrem propellerseitigen Ende (8) als Hohlzylinder ausgeführt ist, in dem das Einstellelement (7) in Längsrichtung (3) beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das der Antriebswelle (2) abgewandte Ende (10) des Einstellelements (7) einen Kolben (11) ausbildet, der sich radial erstreckt und zusammen mit einem umgebenden Gehäuse (12) zwei abgeschlossene Hohlräume (13) bildet, deren Volumina sich durch die Bewegung in Längsrichtung (3) des Einstellelements (7) zueinander komplementär verhalten, wobei eine Fördervorrichtung (14) zur bidirektionalen Förderung eines flüssigen Mediums (15) zwischen den Hohlräumen (13) vorgesehen ist, um das Einstellelement (7) wahlweise in die eine oder die andere Längsrichtung (3) zu bewegen, wobei sich die Fördervorrichtung (14) mit der Antriebswelle (2) dreht und mit dem Kolben (11) bewegt.
Verstellpropelleranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei ein überwiegender Teil der Antriebswelle (2) als Vollwelle () ausgebildet ist.
Verstellpropelleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stromversorgung der Fördervorrichtung (14) über Schleifkontakte oder induktiv erfolgt.
Verstellpropelleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Hohlräume (13) einem gemeinsamen Hydrauliksystem angehören, welches vollständig innerhalb der rotierenden Verstellpropelleranordnung (1) angeordnet ist.
Verstellpropelleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fördervorrichtung (14) im Kolben (11) angeordnet und fluidisch mit den Hohlräumen (13) verbunden ist.
Verstellpropelleranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fördervorrichtung (14) im Einstellelement (7) angeordnet ist und über Kanäle (19) fluidisch mit den Hohlräumen (13) verbunden ist.
Verstellpropelleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung (14) mindestens zwei Pumpen (16) mit entgegengesetzter Pumprichtung umfasst.