DE19637833C1

DE19637833C1 - Zykloidalpropeller

Info

Publication number: DE19637833C1
Application number: DE19637833A
Authority: DE
Inventors: Herbert Perfahl
Original assignee: Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: DE59707140D1; EP0829423B1; CN1177560A; EP0829423A2; KR19980024658A; US5993157A; EP0829423A3

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.

In der DE 36 06 549 A1 ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Bewegung oder auch als Antrieb, den man im weitesten Sinne auch als Zykloidalpropeller bezeichnen könnte, mit jeweils mehrteiligen Flügeln, d. h. zusammengesetztem Flügelprofil, beschrieben. Hierbei werden überwiegend Zahnräder als Verstellantrieb für die Flügelteile benutzt und derjenige für das jeweils hintere Flügelteil besteht im letzten Teil des aus einer Kette von Zahnrädern gebildeten Getriebestranges aus einem Zahnsegment und einem auf dem Wellenstumpf dieses Flügelteils aufgesetztem Zahnrad.

Die DE-AS 11 92 945 zielt auf die Sicherheit gegen Beschädigung der Flügel durch Fremdkörper und hat zu dem Zweck Sicherheitsventile vorgesehen, die die Druckräume der Antriebs-Servomotoren entlasten, falls durch Fremdkörper auf die Flügel ausgeübte äußere Kräfte einen unzulässigen Druckanstieg in den Druckräumen hervorrufen würden.

Bei dem in der nicht vorveröffentlichten älteren Druckschrift DE 196 02 043 C1 beschriebenen Zykloidalpropeller wird eine große Verstellmöglichkeit der Flügel jeweils durch ein zwischen die Gestänge der Flügelkinematik und jeweiligen Flügelschaft geschaltetes, vorwiegend aus einem Zahnsegment und einem Zahnrad bestehenden Getriebe erreicht.

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 Fahrtzuständen ungünstig, z. B. dann, wenn das Schiff in engen Fahrtrinnen fährt, z. B. in Häfen oder in den Schären. Bei solchen Fahrtzuständen 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zykloidalpropeller so auszubilden, daß eine Trennung zwischen der normalen Propellerkinematik und den Zusatzeinrichtungen hergestellt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Dies hat den Vorteil, daß die übliche Propellerkinematik verwendet werden kann und daß die Zusatzeinrichtungen beliebig ausgebildet werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren der Zeichnungen erläutert. Dabei ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf den Rotor mit den Flügeln in Normalstellung,

Fig. 2 die gleiche Draufsicht mit in die Segelstellung verstellten Flügeln, jeweils in prinzipieller Darstellung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den äußeren Bereich des Rotorkörpers,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Rotor in einer anderen Ausführungsform mit den Flügeln in Normalstellung,

Fig. 5 die gleiche Draufsicht mit in Segelstellung verstellten Flügeln, jeweils in prinzipieller Darstellung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch den äußeren Bereich des Rotors dieser Ausführungsform,

Fig. 7 die Steuerung für Ruderbetrieb (für Propeller mit Duo-Kinematik).

Gemäß Fig. 1 befinden sich fünf Flügel 1 auf dem Flügelkreis a des Rotors bzw. Rotorkörpers 50 (siehe Fig. 3). Die Anordnung ist in der Nullstellung gezeigt, bei welcher die einzelnen Flügel, d. h. genau genommen die Profilschienen der Flügel sich tangential zum Flügelkreis a erstrecken. Dabei befindet sich der Steuerknüppel mit seinem Zentrum 8 genau im Zentrum der Flügelkinematik 2. Es ist hier die sogenannte Schubkurbelkinematik skizziert mit der Schwinge 51, der Koppel 52 und der Kuppelstange 20, die über den Flügelantriebshebel 24 am jeweiligen Flügel 1 angreift.

Fig. 3 zeigt dies noch genauer. Dort ist die Kuppelstange 20 mittels durch eine Achshalterscheibe 34 gesicherten Lagerbolzen 33 mit ihrem Lagerauge 35 über Lager 36 mit dem Antriebshebel 24 des Flügels gelenkig verbunden. Diese Verbindung ist im Betrieb lösbar durch die hydraulisch betätigbare Schaltkupplung 6. Diese Schaltkupplung kann ausgebildet sein z. B. nach den deutschen Patentschriften DE-C 40 19 746 oder DE-C 40 19 747 oder der US-Patentschrift 4 859 106. In Dubbel Taschenbuch des Maschinenbaus, sind auf den Seiten 746 bis 750 eine Anzahl lösbarer Kupplungen dargestellt, die jedoch überwiegend nur für axial fluchtende Wellen konzipiert oder bis auf die in Bild 82 dargestellte Airflex-Kupplung aus anderen Gründen für den hier vorgesehenen Zweck nicht gut anwendbar sind. In einer Anmerkung verweist das Taschenbuch aber auf andere geeignete hydrostatische Kupplungen.

Bei gelöster Kupplung ist also die Propellerkinematik, d. h. hier der Antriebshebel 24, von dem Propellerschaft gelöst, und der Propellerschaft und somit der Flügel ist durch die Zusatzeinrichtungen frei beweglich, wobei sich der radial innere Kupplungsteil über die Lager 65 und 66 am Flügelschaft abstützt. Der Flügelantrieb gemäß den Zusatzeinrichtungen besteht aus dem jeweiligen Hydraulikzylinder 5, der mittels Lager 41 und Lagerbolzen 42 an der Gabel eines Zahnradsegments 4 angreift. Dieses Zahnradsegment ist im Rotorkörper 50 mittels durch Schraube 38 gesicherte Lagerbolzen 37 und Lager 39 gelagert. Seine Zähne greifen in die Zähne eines Zahnrades 3 ein, das wiederum über die wie Kupplung 6 aufgebaute Schaltkupplung 6′ am Flügelschaft 22 festlegbar ist. Im gelösten Zustand der Kupplung stützen sich der radial innere Teil der Kupplung und das Zahnrad 3 über Lager 68 bzw. 69 am Flügelschaft ab. Es ist noch ein Lager 72 mit Laufbuchse 71 dargestellt, das zur Lagerung des Flügelschaftes am Rotorkörper dient. Das untere Lager des Flügelschaftes ist hier mit 73, die zugehörige Lagerlaufbuchse mit 73 angedeutet. Die radial äußere Begrenzung des Rotorkörpers ist hier die vertikale Wand 31. Das Getriebe bietet eine derart große Übersetzung, daß durch verhältnismäßig kleine Stellbewegungen des Hubzylinders 5 ein großer Schwenkwinkel des Zahnrades 3 bzw. damit des Flügelschaftes 22 und somit des Flügels 1 erzielbar ist, was auch aus Fig. 2 ersichtlich wird.

Durch die geschilderten Maßnahmen kann jeder Flügel mit Normalprofil in die gewünschte Ruderstellung ohne Behinderung verstellt werden, und zwar mit dem dicken, abgerundeten Kopfende in Fahrtrichtung des Schiffes voran. Die Druckölzufuhr zu den Schaltkupplungen 6 und 6′ wird hier vorgenommen über Klemmringe 61 und 62, an denen die Ölzuführungen angeschlossen sind. Es sind nun entweder die Kupplungen 6 geschlossen, wenn die Kupplungen 6′ gelöst sind, so daß entweder die Flügelschäfte durch die normale Propellerkinematik oder durch die Zusatzeinrichtungen verstellt werden können. Das wird praktisch so durchgeführt, daß die normale Propellerkinematik die Flügel tangential zum Flügelkreis einstellt, ehe die Kupplungen, die dieser Kinematik zugehören, gelöst werden. Dann werden die Kupplungen 6′ der Zusatzeinrichtungen geschlossen und es erfolgt die Verstellung der Propeller zunächst in die parallele Segelstellung und dann weiter entsprechend der verlangten Ruderstellung.

Die in den Fig. 4 bis 6 dargestellte weitere Variante zeigt zunächst die gleichen Bauteile der Propellerkinematik 2 wie in Fig. 3 und 4, sowie die Flügel 1. Es ist ferner ein Schwenkmotor 7 angedeutet, der den einzelnen Flügelschäften zugeordnet ist, wie man aus Fig. 6 näher erkennt. Ein solcher Motor kann einen sehr großen Schwenkwinkel z. B. bis 270° haben, wie es z. B. beschrieben ist in dem Buch von Thomas Krist "Hydraulik-Fluidtechnik" unter 8.1 Schubkolben-Hydrozylinder Bild 8.1.2 d. Ein solcher Schwenkmotor ist auch prinzipmäßig dargestellt in der eingangs erwähnten deutschen Auslegeschrift, der dort allerdings nur mit einem beschränkten Schwenkwinkel von etwa 90° ausgestattet ist. Die Ankopplung an den Flügelschaft 22′ erfolgt hier über eine Anpassungshülse 41. Zwischen dieser Hülse und dem Flügelschaft befindet sich die Schaltkupplung 16′, eine weitere Schaltkupplung 16 befindet sich zwischen dem Antriebshebel 24 des Flügelschafts, der der Propellerkinematik 2 zugehörig ist und mit der Kuppelstange 20 gelenkig verbunden ist. Dies ist praktisch gleich dem Aufbau der Fig. 3. Am Schwenkmotor 7 ist noch die Anschlußplatte 40 für die Druckölzuleitungen dargestellt. Die Steuerung der Ölzufuhr und -abfuhr erfolgt über die aus der Hydrauliktechnik bekannten Ventile. Für die Ölzufuhr zur Schaltkupplung 16 ist der Klemmring 75 vorgesehen. Auch bei dieser Variante gilt analog zur ersten, daß entweder die Kupplungen 16 geschlossen und die Kupplungen 16′ gelöst sind, oder umgekehrt.

Im folgenden soll auf Fig. 7 eingegangen werden.

Der schematisch dargestellte Zykloidalpropeller weist die folgenden wesentlichen Bauteile auf:

Bezugszeichenliste

1 Flügel
2 Propellerkinematik
3 Zahnrad
4 Zahnsegment
5 Hydraulikzylinder
100 Schalteinrichtung für Kupplungen
101 SPS-Steuerung
102 Ruderrad
103 Steuersignalgeber
104 Eingang vom Kompaß
105 Grenzschalter für Blockierung des Rotors
106 Schaltnocken für Blockierung des Rotors
107 Ölversorgung mit Hydraulikventilen
108 elektrische Verbindungsstelle am Stator
109 elektrische Verbindungsstelle am Rotor
110 hydraulische Verbindungsstelle am Stator
111 hydraulische Verbindungsstelle am Rotor
112 Steigungsrückmeldung
113 Drucköl für Hydraulikzylinder
114 Drucköl für Schaltkupplungen

Sowohl die Schaltkupplungen als auch die Hydraulikzylinder sind über Schlauch- und Rohrleitungen mit Schnellschlußkupplungen verbunden, die an der Außenseite des Rotors befestigt sind. Am Stator des Propellers befinden sich die Gegenstücke zu den Schnellschlußkupplungen, die Schaltventile sowie die zugehörigen Ölversorgungen für die Schaltkupplungen und die Hydraulikzylinder. Arbeitet der Propeller im Normalbetrieb, d. h. wird der Flügel über die Kinematik angetrieben, so ist eine Ölversorgung nicht erforderlich. Irgendwelche Dreh-Ölzuführungen werden also nicht benötigt. Erst wenn der Propeller im Stillstand ist, werden die Schnellschlußkupplungen geschlossen, und es wird damit eine Verbindung der Schaltkupplungen und der Hydraulikzylinder zu ihren jeweiligen Ölversorgungen hergestellt.

Im einfachsten Falle erfolgt das Schließen der Schnellschlußkupplungen von Hand; der Vorgang läßt sich aber leicht automatisieren, z. B. 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.

Beschreibung der Blockierung des Radkörpers

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.

Beschreibung der Steuerung

Die Steuerung des Propellers erfolgt im Normalbetrieb über eine bekannte Standard-Steuerungsvorrichtung.

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.

Die Beschreibung der Steuerung und der Ölversorgung gilt sinngemäß auch für die Verwendung eines Schwenkmotors, anstatt eines Hydraulikzylinders.

Mit der vorgeschlagenen Erfindung wird eine echte Segelstellung erreicht, und es lassen sich noch zusätzliche Ruderwinkel einstellen. Der Propeller ist somit der Ersatz für ein zusätzliches Ruder, da alle Flügel um einen gemeinsamen Winkel geschwenkt werden und daher einen Auftrieb (Schub) in einer gewünschten Richtung erzeugen.

Die entscheidenden Elemente sind hierbei das Zahnrad 3, das Zahnsegment 4 oder alternativ der Schwenkmotor. Diese Elemente erlauben es, den Flügel in jede gewünschte Lage zu schwenken.

Die Verstellung der Flügel für den Ruderbetrieb erfolgt bei stillstehendem Rotor. Hydraulische und elektrische Verbindungen sind nur bei stillstehendem Rotor erforderlich. Daher sind einfache, handelsübliche Verbindungselemente (z. B. Schnellschlußkupplungen) einsetzbar.

Claims

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 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 bei Bedarf wieder in die Ruderlage verbringen;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1.4 die Zusatzeinrichtungen (3, 4, 5, 7) sind über ausrückbare Kupplungen (6′, 16′) mit dem jeweiligen Flügelschaft (22, 22′) des Flügels kuppelbar;
1.5 es ist jeweils eine weitere Kupplung (6, 16) je Flügel (1) zum Trennen des betreffenden Flügels von der Propellerkinematik (2) vorgesehen.

2. Zykloidalpropeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Flügel (1) ein Hydraulikzylinder (5) sowie ein Zahnradgetriebe bestehend aus einem den Flügelschaft (22) konzentrisch umgreifenden Zahnrad (3) und einem Zahnsegment (4), an welchem der Hydraulikzylinder (5) angelenkt ist, als Zusatzeinrichtungen vorgesehen sind, wobei die Kupplung (6′) zwischen Zahnrad (3) und Flügelschaft (22) angeordnet ist.

3. Zykloidalpropeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Drehmotor (7) mit dem Flügelschaft (22) mittels der ausrückbaren Kupplung (16) kuppelbar ist.

4. Zykloidalpropeller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Drehmotor (7) über ein hülsenförmiges Anpassungsglied (41) mit dem Flügelschaft (22′) kuppelbar ist, wobei sich die Kupplung (16) zwischen dem Anpassungsglied (41) und dem Flügelschaft (22′) befindet.