DE19637146A1 - Gondelpropelleranlage Contrapod - Google Patents
Gondelpropelleranlage ContrapodInfo
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- B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
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- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
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- F03D9/30—Wind motors specially adapted for installation in particular locations
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- Y02E10/70—Wind energy
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- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/728—Onshore wind turbines
Description
Der Stand der Technik zu dem Schiffsantrieb mit einem
Gondelpropeller (Produktname "Azipod") ist ausführlich
beschrieben in dem Vortrag vom 3. 3. 95 von Mikko Niini
"The Need for Enhanced Manoeuvrability"
gehalten auf der Seatrade Cruise Shipping Conference
in Miami. Er beschreibt den Azipod als den Schiffs
antrieb der Zukunft, der nur noch verbessert werden
könne durch Kontrapropeller an jedem Ende der Gondel,
wodurch der hydrodynamische Wirkungsgrad um bis 15%
verbessert werden könne. Die praktische Realisierung
fehle jedoch noch (s. Seite 7).
Eine Lösung des Problems wird in der beigefügten An
sichtszeichnung und den Patentansprüchen 1 bis 14
dargelegt. Der Azipod hat jedoch nicht nur Vorteile.
Nachteilig ist z. B. das hohe Gewicht und der große
Gondeldurchmesser, die nicht leichte Aufhängung der
schweren Gondel, der tiefliegende Gewichtsschwer
punkt und die damit verbundenen hohen Drehmomente
durch Ruder- und Schubkräfte, die im Achterschiff
aufgenommen werden müssen.
Diese Probleme sollten ebenfalls durch die erfindungs
mäßige Lösung vermindert werden. Der im folgenden ge
nannte "Contrapod" ist beispielhaft in der verein
fachten Schnittzeichnung dargestellt. Wie bekannt
bei Azipod wird hier eine Gondel 1 mit einem strom
linienförmigen Hohlsteg 2 durch einen vertikalen
Schacht 4 durch den Schiffsrumpf 3 geführt und auf
einen Schub- und Drehmoment-aufnehmenden Laufkranz
5 drehbar aufgehängt. Die Gondel erhält zum Propeller
antrieb auch eine Induktionsmaschine, die eine
Asynchron-, eine Gleichstrom- oder eine 3- oder Mehr
phasen-Synchronmaschine (permanent- oder fremderregt)
sein kann.
Erfindungsgemäß werden anstelle einer Propellerachse
zwei Achsen angeordnet. Eine Welle 6 erhält einen Pro
peller 7 und wird vom Rotor 8 angetrieben (Rotorpro
peller 7, Rotorachse 6). Die Achse erhält ein Schub-
und Traglager 9 zum Gondelgehäuse 1 und ein zweites
Traglager 10, das in der Hohlwelle 11 angeordnet ist.
Diese Hohlwelle bildet die Achse des Kontrapropellers
12. Die Hohlwelle 11 ist durch eine Wand oder dichte
Scheibe 13 gegen Eindringen von Wasser abgedichtet und
kraftschlüssig mit dem Statorgehäuse 14 und dem Stator
15 verbunden. Die Hohlwelle wird Statorachse 11 genannt.
Auf der Rotorpropellerseite wird die Statorachse und
damit das Statorgehäuse 14 auf der Rotorachse 6 durch
ein Traglager 16 zentriert und fixiert. Die Abdichtung
des Gondelinnern zum umgebenden Wasser wird durch Stopf
buchsen 17 an den Gondelenden erreicht.
Das System funktioniert auch, wenn Stator 15 gegen Rotor
8 vertauscht angeordnet ist. Man wird vorzugsweise die
geringere Schwungmasse, d. h. den Rotor außen anordnen
(Außenpoltyp).
Vorzugsweise wird man als Induktionsmotor einen fremd
erregten Synchronmotor wählen als bürstenlose Maschine,
d. h. mit induktiver Erregerstromübertragung 18. Für
eine Drehzahlregelung der Propeller ist eine Umrichter
einspeisung des Statorstromes vorzusehen. Sie erfolgt
über Schleifringe 19 und Bürsten 20. Es müssen beide
Drehzahlen gemessen werden (für Stator und Rotor).
Die Spannung des Motors wird über den Erregerstromum
richter immer so eingestellt, daß sie im Mittel propor
tional der Summe der Absolutwerte der Istdrehzahlen
von Rotor und Stator ist.
Die Propeller sollten durch Modellversuche im Schlepp
kanal untersucht werden und so ausgelegt werden, daß
sie bei gleichem Drehmoment optimalen Schub in Voraus
fahrt erzeugen, aber auch ein gutes Stoppen ermöglichen.
Eine Drehzahlregelung erfolgt nach der Solldreh
zahl für einen Propeller, möglichst für den mit der
höchsten Nenndrehzahl. Bei Seegang oder Ruderlegen kann
sich eine Drehzahl auf Kosten der anderen erhöhen, damit
ist immer optimaler Schub gegeben und die Kavitations
gefahr vermindert.
Die Propeller, Stator und Rotor sollen daher in einem
notwendigen Bereich überdrehzahlfähig sein (nü).
Bei Havarie oder Einwirkungen, die einen Propeller mehr
oder weniger abstoppen können, wird der andere in Über
drehzahl gehen. Damit nü nicht überschritten wird,
werden beide Drehzahlen erfaßt und eine Drehzahlgrenze
ngr vorgesehen (ngr kleiner nü). Ist ngr erreicht,
erfolgt durch den Umrichter eine Strom-respektive
Drehmomentbegrenzung.
Bei einer ernsten Havarie des Propellers (Blatt oder
Propeller ganz verloren) oder bei einem defekten Schub-
oder Traglager 9 oder 10 könnte eine vorgesehene Arre
tierungseinrichtung (z. B. Bremse) die Stator- oder Rotorachse
festsetzen. Der Antrieb könnte bei halber Spannung
mit halber Leistung weiterbetrieben werden.
Welche Vorteile hat der Contrapod gegenüber dem Azipod?
= Gewichts- und Volumenverkleinerung um mehr als 50%.
Dies resultiert einerseits daraus, daß die Relativ drehzahl zwischen Stator und Rotor beim Contra pod doppelt so groß ist als beim Azipod bei gleicher Propellerdrehzahl. Bei gleicher Leistung kann das Drehmoment und damit annähernd das Gewicht des Contrapod halbiert werden. Auch wenn ein zusätz liches rotierendes Motorgehäuse untergebracht werden muß, ergibt sich eine weitere Leistungs reduzierung durch den besseren elektrischen und hydrodynamischen Wirkungsgrad des Contrapod.
= Strömungsmäßig besseres Längen-/Breitenverhältnis der Gondel.
Der Durchmesser großer Drehstrommo tore wird durch die erforderliche Mindestpolbreite (ca. 250 mm) bestimmt. Da hier die Polzahl halbiert ist, wird eine schlankere Gondel möglich.
= Geringerer Tiefgang für größte Schiffe möglich.
Bei gleicher Schubbelastung der Propeller beider Systeme könnte der Propellerdurchmesser und damit der notwendige Tiefgang beim Contrapod um ca. 30% geringer sein.
= Geräuscharmer Schiffsantrieb.
Da es kein Fundament für den Motor des Contrapod gibt, haben Drehmomentenerzeugung des Motors als Oberschwingungen keinen Einfluß auf das Schiff. Des weiteren werden Propellerblattauswirkungen auf die Außenhaut des Schiffes halbiert durch 2 Propeller. Schließlich wird die Kavitation bei dynamischen, z. B. Seegangseinflüssen durch die Drehzahlanpassung der beiden Propeller vermieden.
= Wirkungsgradverbesserung um maximale 17%.
Dies ergibt sich aus:
Dies resultiert einerseits daraus, daß die Relativ drehzahl zwischen Stator und Rotor beim Contra pod doppelt so groß ist als beim Azipod bei gleicher Propellerdrehzahl. Bei gleicher Leistung kann das Drehmoment und damit annähernd das Gewicht des Contrapod halbiert werden. Auch wenn ein zusätz liches rotierendes Motorgehäuse untergebracht werden muß, ergibt sich eine weitere Leistungs reduzierung durch den besseren elektrischen und hydrodynamischen Wirkungsgrad des Contrapod.
= Strömungsmäßig besseres Längen-/Breitenverhältnis der Gondel.
Der Durchmesser großer Drehstrommo tore wird durch die erforderliche Mindestpolbreite (ca. 250 mm) bestimmt. Da hier die Polzahl halbiert ist, wird eine schlankere Gondel möglich.
= Geringerer Tiefgang für größte Schiffe möglich.
Bei gleicher Schubbelastung der Propeller beider Systeme könnte der Propellerdurchmesser und damit der notwendige Tiefgang beim Contrapod um ca. 30% geringer sein.
= Geräuscharmer Schiffsantrieb.
Da es kein Fundament für den Motor des Contrapod gibt, haben Drehmomentenerzeugung des Motors als Oberschwingungen keinen Einfluß auf das Schiff. Des weiteren werden Propellerblattauswirkungen auf die Außenhaut des Schiffes halbiert durch 2 Propeller. Schließlich wird die Kavitation bei dynamischen, z. B. Seegangseinflüssen durch die Drehzahlanpassung der beiden Propeller vermieden.
= Wirkungsgradverbesserung um maximale 17%.
Dies ergibt sich aus:
- - Hydrodynamisch durch die Kontrapropeller um 14%
- - Durch die schlankere Gondel: 1%
- - Durch den besseren Motorwirkungsgrad: 2%.
= Redundanz-Antrieb zu 50% für Propeller- oder Lager
ausfall. Die betreffende Propellerachse kann arretier
bar gemacht werden.
Bei contrarotierenden Propellern (CRP), die hintereinander
angeordnet sind (DE 42 34 584 A1) und DE A 12 48 503), ist
die Lagerung und Abdichtung der massiven Innenwelle in
der Hohlwelle der kritische Punkt der CRP-Anlage.
Damit dabei nicht unterschiedliche Durchbiegungen der
Wellen mit den dabei auftretenden Lager- und Abdichtpro
blemen auftreten, muß die innere Welle größer als vom
Drehmoment her erforderlich gewählt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung nach Ansprüchen 1 und 2
machen das Problem unkritisch und ermöglichen mit dem
Unteranspruch 11 eine erleichterte Montage und Wartung
dieser Lagerung 10 und Abdichtung des von außen abschraub
baren Dichtungsdeckels 13 (Fig. 2).
Die unerwünschten wartungsbehafteten Schleifringe 19 können
entfallen, wenn man nach Fig. 3 eine Asynchronmaschine
mit ihrem Rotor 24 auf eine der rotierenden Wellen, hier
die Innenwelle 6 setzt und den Stator 23 in das Gondel
gehäuse 1 anordnet. Die Polzahl der Asynchronmaschine sollte
gering sein (2- bis 4-polig) gegenüber der vielpoligen
Synchronmaschine. Bei einem Schlupf kleiner 1 (motorisch
treibend) wird dann ein geringer Teil mechanische Leistung
auf die Welle 6 gebracht. Die überwiegende Schlupf
leistung wird dann über die feste Leitung 22 vom Rotor 24
der As-Maschine zum Stator 15 der Synchronmaschine geführt.
Um die Maschinen klein zu halten, sollte der Hauptteil
der Blindleistung der As-Maschine von Kondensatoren auf
gebracht werden.
Erfindungsgemäß wird nach Fig. 3 der As-Maschinenrotor 24
nicht auf die Hohlwelle 11, sondern auf die innere Welle
6 gesetzt und dem hinteren Propeller 7 zugeordnet, da einer
seits die Leistung des hinteren Propellers erhöht wird
und andererseits der Durchmesser der As-Maschine kleiner
gehalten werden kann. Durch diese festgelegte Anordnung
der Maschnen wird die für die Erhöhung des Gesamtgüte
grads der CRP-Anlage erwünschte Vergrößerung der Leistung
des hinteren Propellers ermöglicht. Die erforderliche
höhere Drehzahl des hinteren gegenüber dem vorderen Pro
peller wird durch entsprechende Wahl ihrer Steigungen
erreicht.
Da der hintere Propeller seine Wirkungsgradverbesserung
u. a. aus der Rückgewinnung der Drallenergie des vorderen
Propellers erhält, aber möglichst nicht in die Endwirbel
der Flügel des vorderen Propellers hineinreichen sollte,
wird der Durchmesser des hinteren Propellers auf etwa 80
bis 95% des vorderen ausgelegt.
Die Verminderung der Leistung der Synchronmaschine auf
Kosten der As-Maschine um deren mechanische Leistung be
trägt je nach dem Schlupf ca. 5 bis 20%. Da der Leistungs
anteil der Synchronmaschine den Gondeldurchmesser bestimmt,
liegt auch in der Leistungsaufteilung eine Möglichkeit
der Wirkungsgradoptimierung der CRP-Anlage.
Der Contrapod wird zu einer verschleißfreien CRP-Anlage,
wenn auch für die Erregerleistung eine induktive Übertragung
eingesetzt wird. Wenn man diese Übertragereinrichtung
18 auf die Hohlwelle 11 vor das Synchronmotorgehäuse 14
setzt und durch dieses die Zuführung 21 zum Polrad führt,
hat man eine Gesamtanordnung der Maschinen, die erfindungs
gemäß eine stromlinienförmige Tropfenform zur Hauptanström
richtung des Gondelgehäuses 1 erlaubt.
Wie vorher beschrieben, ist bei Propeller- oder Lagerschaden
nach Arretierung des einen rotierenden Systems ein
Notbetrieb mit dem verbleibenden System möglich.
Claims (14)
1. Eine Populsionsanlage mit einer Gondel, die in einem
vertikalem Tunnel fest oder drehbar aufgehängt ist
und sich mit einem strömungstechnisch verkleideten
Steg verbunden unter dem Schiffsboden befindet und
die einen drei- oder mehrphasigen Induktionsmotor
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
an jedem Ende der Gondel kontrarotierende Propeller
angetrieben werden, wobei der eine Propeller mit dem
Rotor auf einer Achse (Rotorachse) und der Kontra
propeller mit dem Stator auf einer koaxialen Welle
(Statorachse) kraftschlüssig befestigt sind (Innen
polmotortype), daß die Rotorachse im Gondelgehäuse
durch ein Trag- und Schublager fixiert ist und daß
das zweite Traglager sich in der Hohlwelle des Sta
tors befindet, daß die Statorhohlwelle zum Propeller
hin abgedichtet ist, zum Gondelgehäuse ein Trag-
und Schublager hat und kraftschlüssig mit dem Sta
torgehäuse verbunden ist und dieses auf der Rotor
propellerseite durch das zweite Traglager auf der
Rotorachse zentrisch fixiert ist und daß jede
Achse mit einer Stopfbuchse zum Gehäuse gegen Wasser
einbruch abgedichtet ist.
2. Nach 1., dadurch gekennzeichnet, daß in der Gondel
Rotor und Stator vertauscht sind (Außenpoltype des
Induktionsmotors).
3. Nach 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller
in ihrer Steigung und im Durchmesser so ausgelegt
sind, daß sie bei Nennanströmung in Vorwärtsrichtung
bei gleichem Drehmoment optimalen Propulsionswirkungs
grad im Zusammenwirken haben.
4. Nach 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, daß der Motor
rotor und -stator mit einer Überdrehzahlfähigkeit
über Nenndrehzahl ausgestattet ist (nü) und daß Stator-
und Rotor-Drehzahl erfaßt werden, daß eine Drehzahl
regelung nur auf eine dieser Drehzahlen - vorzugsweise der
höheren - erfolgt.
5. Nach 1. bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß augenblicklich eine Dreh
momentenbegrenzung (Strombegrenzung) erfolgt, wenn
eine festgelegte Drehzahlgrenze des Rotors oder des
Stators betriebsmäßig überschritten wird.
6. Nach 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß am Stator
gehäuse eine Arretiermöglichkeit (z. B. Bremse) vorge
sehen ist und bei Arretierung des Stators der Antrieb
des Rotorpropellers mit annähernd halber Speisespan
nung erfolgt.
7. Nach 1. bis 6., dadurch gekennzeichnet, daß der Motor
eine fremd- oder permanenterregte Synchronmaschine ist.
8. Nach 7., dadurch gekennzeichnet, daß bei einer fremd
erregten Synchronmaschine der Erregerstrom induktiv
auf das Polrad und der Statorstrom über Schleifringe
zum Stator übertragen wird und vom Umrichter geliefert
wird.
9. Nach 1. bis 8., dadurch gekennzeichnet, daß die erforder
liche Spannung für den Motor annähernd proportional
zu der Summe der absoluten Werte der Istdrehzahlen
von Rotor und Stator gestellt wird.
10. Nach 1. und 7., dadurch gekennzeichnet, daß auch für
die Rotorachse im Havariefall eine Arretiermöglichkeit
vorhanden ist.
11. Nach 1. bis 10., dadurch gekennzeichnet, daß der
die Hohlwelle zum Lager der Vollwelle abdichtende
Deckel von der Propellerseite der Hohlwelle montierbar ist.
12. Nach 1. bis 7. und 9. bis 11., dadurch gekennzeichnet, daß
die gegenläufige vierpolige Synchronmaschine ihren Stator
strom von einem auf einer der beiden rotierenden Wellen
sitzenden Rotor einer niederpoligen, vorzugsweise zwei- oder
vierpoligen Asynchronmaschine erhält, wobei dessen Stator
in dem Gondelgehäuse befestigt ist, daß die Aufnahmeleistung
der As-Maschine in einen mechanischen und einen weit größeren
elektrischen Anteil aufgeteilt ist, der als Rotor
strom der As-Maschine über eine Leitung an den Stator der
Synchronmaschine gegeben wird.
13. Nach 12., dadurch gekennzeichnet, daß der in Vorausfahrt
vordere Propeller auf der Hohlwelle sitzt und von dem
Rotor der Synchronmaschine angetrieben wird, daß daher
der hintere Propeller die größere Leistung besitzt und
von der Asynchronmaschine und dem Stator der Synchronmaschine
über die Vollachse angetrieben wird und daß die Über
tragung der Erregerleistung induktiv oder durch Schleif
ringe zur Hohlwelle und über Leitungen zu den Polwicklun
gen der Synchronmaschine erfolgt.
14. Nach 13., dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Propeller
größer ist und langsamer dreht als der hintere und daß
das Gehäuse durch die gewählte Anordnung der Maschinen
stromlinienförmig - in Tropfenform - zur Hauptanströmung aus
geführt wird.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19637146A DE19637146A1 (de) | 1996-08-30 | 1996-08-30 | Gondelpropelleranlage Contrapod |
DE59702169T DE59702169D1 (de) | 1996-01-23 | 1997-01-21 | Gondelpropelleranlage |
EP97100839A EP0786402B1 (de) | 1996-01-23 | 1997-01-21 | Gondelpropelleranlage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19637146A DE19637146A1 (de) | 1996-08-30 | 1996-08-30 | Gondelpropelleranlage Contrapod |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19637146A1 true DE19637146A1 (de) | 1998-03-05 |
Family
ID=7805420
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19637146A Withdrawn DE19637146A1 (de) | 1996-01-23 | 1996-08-30 | Gondelpropelleranlage Contrapod |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19637146A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003038990A1 (de) * | 2001-10-31 | 2003-05-08 | Aloys Wobben | Windenergieanlage mit berührungslosen energieübertragungsmitteln auf den rotor |
GB2413159A (en) * | 2004-04-17 | 2005-10-19 | James Wolfe Macconn Kilpatrick | Wind-driven generator |
CN114933002A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-23 | 合肥倍豪海洋装备技术有限公司 | 一种对转式全回转推进装置的扭曲型下壳体 |
-
1996
- 1996-08-30 DE DE19637146A patent/DE19637146A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003038990A1 (de) * | 2001-10-31 | 2003-05-08 | Aloys Wobben | Windenergieanlage mit berührungslosen energieübertragungsmitteln auf den rotor |
US7098551B2 (en) | 2001-10-31 | 2006-08-29 | Aloys Wobben | Wind power installation with contactless power transmitter |
GB2413159A (en) * | 2004-04-17 | 2005-10-19 | James Wolfe Macconn Kilpatrick | Wind-driven generator |
CN114933002A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-23 | 合肥倍豪海洋装备技术有限公司 | 一种对转式全回转推进装置的扭曲型下壳体 |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |