DE19637786C1 - Zykloidalpropeller - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Zykloidalpropeller. Auf den Oberbegriff von
Anspruch 1 wird verwiesen.
Zykloidalpropeller dienen meist als Hauptantrieb für ein Schiff. Sie können
aber auch nur als Hilfsantrieb eingesetzt werden, nämlich dann, wenn eine
besonders hohe Manövrierfähigkeit gefordert wird. Ein Zykloidalpropeller
entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist beschrieben im Voith-
Sonderdruck 9.94 2000. Die Flügelkinematik dient dabei dazu, die Flügel auf
dem Flügelkreis des Rotors in die erforderlichen Stellungen zu bewegen, um
einerseits Forttrieb andererseits aber auch Steuerkräfte zu erzeugen. Die
Verstellungskinematik erfolgt dabei über einen zentralen Steuerknüppel, der
durch zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Servomotoren betätigt wird.
Der Antrieb des Rotors erfolgt im allgemeinen über ein Zahnradgetriebe mit
Tellerkegelrad und Kegelritzel, häufig von einem Dieselmotor her.
DE-B 19 41 652 beschreibt einen Zykloidalpropeller, der nur als Zusatzantrieb
bei einem Schiff dient, und der bei Marschfahrt des Schiffes ausschließlich als
Ruder betrieben wird. Dabei wird durch geeignete Zusatzeinrichtungen eine
Verstellung der einzelnen Flügel so weit vorgenommen, daß sie in der
sogenannten auftriebslosen, d. h. vortriebslosen Segelstellung zueinander
parallel stehen und in dieser Stellung durch Verdrehen des Rotorkörpers
gemäß der erforderlichen Rotorstellung in die erforderliche Winkelstellung
verstellt werden können.
DE 36 06 549 betrifft eine Untervariante eines Zykloidalpropellers. Dieser
Propeller weist einen mehrteiligen Flügel auf. Dabei sind besondere
Maßnahmen notwendig, um die Verstellung der einzelnen Flügelteile sicher
und zuverlässig durchzuführen. Hierzu ist ein Zahnradgetriebe vorgesehen,
weil mit der Zahl der Zahnräder die entsprechende Schwenkrichtung der
Flügelteile einfach zu bewirken ist.
DE 196 02 043 C1 ist eine ältere, nicht vorveröffentlichte Druckschrift.
Die Konstruktion des Zykloidalpropellers insbesondere hinsichtlich der
Ausbildung der Propellerkinematik und der Anlenkung am Flügelschaft
bedingt jedoch, daß nur relativ kurze Verstellwege der Flügel erreicht werden
können. Deshalb ist es nicht möglich, die abgerundete Kopfseite der Flügel in
Fahrtrichtung nach vorne zu stellen. Daher werden Flügelprofile benutzt, die
von der üblichen Form abweichen und im wesentlichen eine ovale Form
haben. Dies ist jedoch bei bestimmten Fahrzuständen ungünstig, z. B. dann,
wenn das Schiff in engen Fahrrinnen fährt, z. B. in Häfen oder in den Schären.
Bei solchen Fahrzuständen ist es nämlich vorteilhaft, das Schiff mit dem
Zykloidalpropeller anzutreiben, und nicht mit dem Hauptantrieb, der für eine
wesentlich höhere Geschwindigkeit ausgelegt ist. Dabei wird die hohe
Manövrierfähigkeit des Zykloidalpropellers ausgenutzt.
Die Aufgabe der Erfindung ist, einen Zykloidalpropeller anzugeben, bei dem
zum Erreichen der Segelstellung große Schwenkwinkel möglich sind, so daß
ein normales Flügelprofil verwendbar ist, welches einen dickeren,
abgerundeten Kopfteil und ein schlankeres spitz zulaufendes Schwanzende
aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die
erfindungsgemäße Maßnahme werden durch relativ kleine Stellbewegungen
des hydraulischen Hubzylinders große Schwenkwinkel der Flügel durch die
Übersetzung des Getriebes möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren der Zeichnungen
erläutert; dabei stellt
Fig. 1 prinzipiell eine Draufsicht auf den Rotor des Zykloidalpropellers mit der
Propellerkinematik in Normalstellung, d. h. für Marschbetrieb,
Fig. 2 die entsprechende Darstellung mit den Flügeln in Segelstellung,
Fig. 3 die Steuerung bei Ruderbetrieb (für Propeller mit Servo-
Getriebekinematik) dar.
Die Flügel sind mit 1 bezeichnet, die sich auf dem Flügelkreis a während des
Marschbetriebes, d. h. Vortrieb des Schiffes, bewegen. Die Propellerkinematik
ist mit 2 angedeutet, wobei sich der Steuerknüppel in der Nullage befindet, in
welcher die Sehnen der Profile im allgemeinen tangential zu dem Flügelkreis
a verlaufen. In die Kinematik ist nun jeweils ein Hubzylinder 5 eingebaut, der
hier praktisch die sogenannte Kuppelstange 19 überwiegend ersetzt. Die
Kolbenstange des Hubzylinders ist an einem Zahnsegment 4 angelenkt,
welches mit seinen Zähnen in das am Flügelschaft befestigte Zahnrad 3
eingreift. Durch die Übersetzung des Getriebes, die man entsprechend groß
wählen kann, wird ein großer Schwenkwinkel der Flügel erreicht.
Will man vom Marschbetrieb zum Ruderbetrieb des Zykloidalpropellers
umschalten, wird dieser stillgesetzt und an einer bestimmten Stelle blockiert,
vorzugsweise, wenn einer der Flügel wie hier dargestellt, sich auf dem
Durchmesser des Rotors befindet, der senkrecht zur Schiffslängsachse
verläuft. Man hat dann die geeignete Ausgangsbasis, um die einzelnen Flügel
durch die Hydraulik entsprechend anzusteuern.
Aus Fig. 3 erkennt man in schematischer Darstellung einen Zykloidalpropeller
mit Steuerschema. Die wichtigsten Bauteile sind die folgenden:
Flügel 1
Getriebe-Hubkurbelkinematik 2
Zahnrad 3 (als Teile der Getriebe-Schubkurbelkinematik)
Zahnsegment 4
Hydraulikzylinder 5
Eingang vom Schiffskompaß 100
SPS-Steuerung 101
Ruderrad 102
Steuersignalgeber (Potentiometer) 103
Ölversorgung für Hydraulikzylinder 107
Grenzschalter für Blockierung des Rotors 105
Schaltnocken für Blockierung des Rotors 106
elektrische Verbindungsstelle am Stator 108
elektrische Verbindungsstelle am Rotor 109
hydraulische Verbindungsstelle am Stator 110
hydraulische Verbindungsstelle am Rotor 111
Steigungsrückmeldung 112
Drucköl für Hydraulikzylinder 113
Getriebe-Hubkurbelkinematik 2
Zahnrad 3 (als Teile der Getriebe-Schubkurbelkinematik)
Zahnsegment 4
Hydraulikzylinder 5
Eingang vom Schiffskompaß 100
SPS-Steuerung 101
Ruderrad 102
Steuersignalgeber (Potentiometer) 103
Ölversorgung für Hydraulikzylinder 107
Grenzschalter für Blockierung des Rotors 105
Schaltnocken für Blockierung des Rotors 106
elektrische Verbindungsstelle am Stator 108
elektrische Verbindungsstelle am Rotor 109
hydraulische Verbindungsstelle am Stator 110
hydraulische Verbindungsstelle am Rotor 111
Steigungsrückmeldung 112
Drucköl für Hydraulikzylinder 113
Die Verbindungen des Steuerschemas sind nur für einen einzigen Flügel
dargestellt; sie sind jedoch für alle fünf Flügel identisch.
Im Normalbetrieb des Propellers sind die Hydraulikzylinder 5 in der Nullage
blockiert und übertragen so die von der Kinematik erzeugten Bewegungen auf
die Flügel. Eine im Rotor integrierte Ölversorgung gleicht Leckverluste der
Hydraulikzylinder aus und sorgt dafür, daß ihre Nullage stets erhalten bleibt.
Die Energieversorgung erfolgt entweder über einen Akku, der im Stillstand
des Rotors immer aufgeladen wird, oder über eine im Rotor installierte und
mechanisch angetriebene Ölpumpe.
Im Ruderbetrieb befindet sich der Rotor im Stillstand. Es werden jetzt die
Schnellschlußkupplungen geschlossen und damit eine Verbindung der
Hydraulikzylinder 5 zu ihren jeweiligen Ölversorgungen hergestellt. Im
einfachsten Falle erfolgt das Schließen der Schnellschlußkupplungen von
Hand; der Vorgang läßt sich aber leicht automatisieren (zum Beispiel über
eine hydraulisch oder pneumatisch betätigte Vorrichtung). Dasselbe gilt für
die elektrische Verbindung zu dem im Hydraulikzylinder vorhandenen
Weggeber. Auch hier ist die elektrische Verbindung erst erforderlich, wenn
sich der Rotor im Stillstand befindet.
Das Stoppen und Blockieren des Rotors kann man sich wie folgt vorstellen:
Am Rotor befindet sich ein Schaltnocken, der einen Grenzschalter am Stator
aktivieren muß. Beim Abschalten des Propellers bleibt der Rotor an einer
beliebigen Stelle stehen, wird dann aber solange weitergedreht, bis der
Schaltnocken den Grenzschalter betätigt. Danach wird der Propeller gegen
Verdrehen an der Propellereingangswelle zum Beispiel mittels einer
Scheibenbremse oder einer einfachen mechanischen Blockierung festgesetzt.
Der Steuerknüppel wird über eine elektrisch angetriebene Ölpumpe in der
Nullage gehalten.
Die Steuerung des Propellers im Normal betrieb erfolgt über eine Standard-
Steuervorrichtung.
Die Steuerung im Ruderbetrieb, bei stillstehendem Rotor, erfolgt über ein
Handrad, das mittels Drehpotentiometer Steuerimpulse in eine SPS-Steuerung
gibt. Die Ausgangssignale steuern Magnetventile, die wiederum die Steuerung
der Hydraulikzylinder und damit die geforderte Verstellung der Flügel
bewirken. Durch ein Signal vom Schiffskompaß kann der Steuervorgang auch
automatisiert werden.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung wird eine echte Segelstellung erreicht,
und es lassen sich noch zusätzliche Ruderwinkel einstellen. Das heißt, der
Propeller ist ein echter Ersatz eines zusätzlichen Ruders, da alle Flügel um
einen gemeinsamen Winkel geschwenkt werden und daher einen Auftrieb
(Schub) in einer gewünschten Richtung erzeugen.
Man kann die gesamte Einrichtung so ausbilden, daß in den Endlagen des
Hydraulikkolbens der Hubzylinder maximale Flügelausschläge gegeben sind.
Claims (4)
1. Zykloidalpropeller mit einem Stator und einem in diesem drehbar
gelagerten Rotor, an welchem Flügel (1) schwenkbar gelagert sind;
- 1.1 die Rotordrehachse und die Flügelschwenkachsen verlaufen parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht;
- 1.2 die Verstellung der Flügel (1) erfolgt mittels eines zentralen Steuerknüppels (8) über ein Gestänge (20, 51, 52), das die Propellerkinematik (2) bildet;
- 1.3 es sind Zusatzeinrichtungen (5) vorgesehen, die bei blockiertem Rotor eine Verstellung der Flügel (1) in die Segelstellung bewirken, bei der sich die Flügel parallel zueinander erstrecken, und die die Flügel aus der Segelstellung heraus in jede gewünschte Ruderlage bringen; gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- 1.4 die Zusatzeinrichtungen (5) greifen über ein Getriebe (3, 4) an den Flügeln (1) an.
2. Zykloidalpropeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusatzeinrichtungen im wesentlichen einen hydraulischen Hubzylinder
(5) aufweisen, der an geeigneter Position der Propellerkinematik
eingebaut ist.
3. Zykloidalpropeller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß im Fall einer sogenannten Schubkurbelkinematik der Hubzylinder
(5) die Kuppelstange (19) der Propellerkinematik ganz oder teilweise
ersetzt, wobei seine Wirkungsweise mit der Mittelachse (Längsachse)
der Kuppelstange (19) fluchtet.
4. Zykloidalpropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Getriebeteil ein Zahnrad (3) ist, dessen
zentrale Bohrung koaxial den Flügelschaft des Propellers (1)
umschließt, und der zugehörige, treibende Getriebeteil ein
Zahnradsegment (4) ist, an welchem der Hubzylinder (5) mit seiner
Kolbenstange oder der verbleibende Teil der Kuppelstange (19)
angelenkt ist.
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