DE19648417A1 - Schiffsantrieb mit einem Ruderpropeller - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schiffsantrieb mit einer Antriebsmaschine und einem Ruder-Doppelpropeller, der von der Antriebsmaschine angetrieben wird.

Ein Schiffsantrieb dieser Art ist aus der DE 8 70 655 bekannt. Die Leistung der innerbords angeordneten Antriebsmaschine wird in eine vertikal angeordnete Antriebswelle eingeleitet, deren unteres Ende durch den Schiffsboden hindurch nach außenbords geführt ist, dort über Winkelgetriebe horizontal angeordnete Ausgangswellen antreibt, von denen jede an dem jeweiligen Winkelgetriebe abgekehrten Ende eine dem Vortrieb des Schiffes dienende Schiffsschraube trägt. Eine solche Anlage kann als Ruderpropeller ausgebildet sein, indem am oberen Ende der vertikal angeordneten Welle nicht nur die Antriebsleistung eingeleitet wird, sondern ein Stellmotor derart zur Wirkung gebracht werden kann, daß ein die An­ triebswelle konzentrisch umgebendes Hüllrohr um die Längs­ achse der Antriebswelle um bis zu 360° bzw. rundum schwenk­ bar ist. Wird der Stellmotor zur Wirkung gebracht, so werden letztlich die Schiffsschrauben um die Längsachse der Antriebs­ welle geschwenkt, und es wird nicht nur die Leistung der Antriebsmaschine in Schubleistung umgesetzt, sondern es ist die Möglichkeit geboten, durch 360°-Schwenkung des Unter­ wasserteiles des Antriebssystems die Antriebsleistung auch für das Manövrieren des Schiffes einzusetzen. Bei der bekann­ ten Vorrichtung ist jedem Propeller jeweils ein Winkelgetrie­ be und jeweils eine Ausgangswelle zugeordnet. Damit sind beide Propeller unabhängig voneinander antreibbar. Jedoch steht der technische Aufwand dieses Antriebes nicht im Ver­ hältnis zum Nutzen, der aus der getrennten Funktionsweise der beiden Propeller erzielbar ist.

Bei einer anderen vorbekannten Propelleranordnung zum Antrieb eines Schiffes sind am unteren Ende einer oder zweier verti­ kaler von einem Gehäuserohr umgebenden Antriebswelle bzw. Antriebswellen unter Zwischenschaltung eines Winkeltriebes zwei horizontale Propellerwellen angeordnet und den dem Winkeltrieb abgekehrten Enden der Propellerwellen ist je einer von zwei Propellern drehfest zugeordnet. Der Winkel­ trieb ist derart ausgebildet, daß zwischen unterem Wellen­ ende bzw. unteren vertikalen Wellenenden der vertikalen Welle bzw. der vertikalen Wellen und jeder der horizontalen Wellen ein Winkelgetriebe des Winkeltriebes angeordnet ist. Die beiden Propellerwellen, die zugleich Getriebeausgangs­ wellen sind, sind auf einer Seite dieses Antriebsgehäuses angeordnet oder auf jeder Seite des Antriebsgehäuses ist eine der Propellerwellen angeordnet und entsprechend aus dem Antriebsgehäuse herausgeführt. Sind beide Propeller­ wellen und demzufolge beide Propeller auf einer Seite des Antriebsgehäuses angeordnet, so umgibt die eine dieser Wellen die andere konzentrisch als Hohlwelle. Die beiden Propeller sind verschieden ausgelegt, insbesondere in der Weise, daß auf jeden Fall die Drehrichtung und die Propellerdurchmesser, wahrscheinlich aber auch die Flügelzahl, unterschiedlich sind (GB 2 190 344).

Schließlich befaßt sich ein weiterer Stand der Technik (DE 35 08 203) mit einer Ausgestaltung einer Leiteinrichtung für einen mit einem Propeller ausgestatteten Schiffsantrieb zur Steigerung der Schubkraft bzw. zur Reduktion des Treibstoff­ verbrauches und berührt deshalb die vorliegende Erfindung allenfalls in Merkmalen, die die vorliegende Erfindung in zweckmäßiger Weise ausgestalten.

Stand der Technik ist endlich auch noch ein Antrieb, bei dem ein Gehäuse außerhalb des anzutreibenden Schiffes im Wasser einen Elektrometer aufnimmt, der zumindest einen Propeller außerhalb des Gehäuses antreibt, wobei im Fall der Anwendung zweier Propeller diese gegenläufig drehen und der Antrieb nur mit erheblichem Bauaufwand zu reali­ sieren ist (EP 0 590 867 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schiffs­ antrieb der eingangs genannten Art zu entwickeln, der unter Einbringung eines hohen Wirkungsgrades fertigungstechnisch einfach aufgebaut ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der An­ sprüche gelöst.

Damit verwendet die Erfindung zunächst einmal einen Antrieb, bei dem zwei Propeller funktionsgleich sind, wie es auch bei dem weiteren Stand der Technik nach DE 44 40 738 A1 der Fall ist. Während dort aber mit einem Winkelgetriebe und einem Antriebsstrang gearbeitet wird und damit ein ge­ genüber dem weiter zurückliegenden Stand der Technik wesent­ lich einfacherer und weniger anfälliger Antrieb geschaffen ist, mit dem zudem das Bauvolumen deutlich reduziert wird, wird bei der vorliegenden Erfindung noch einmal eine deutliche Verringerung des Bauaufwandes dadurch erzielt, daß in dem Unterwasser­ gehäuse ein Elektromotor vorgesehen ist, dessen Antriebs­ welle aus beiden Motorseiten herausgeführt ist und an jedem Ende einen der beiden gleichlaufenden Propeller trägt. Es wird damit bei einem Schiffsantrieb gemäß der vorliegen­ den Erfindung ein Winkelgetriebe überhaupt eingespart und durch die Gleichläufigkeit der Propeller in Verbindung mit der Leiteinrichtung werden der Nachdrall des vorderen Pro­ pellers und der Vordrall des hinteren Propellers beeinflußt. Ein solches Konzept ergibt also einen sehr leistungsfähigen Antrieb mit sehr geringem Bauaufwand.

Auch bei diesem erfindungsgemäßen Antrieb werden mit der Leiteinrichtung durch Kavitation hervorgerufene Energie­ verluste weitgehend vermieden, indem die Leiteinrichtung den vom vorderen Propeller erzeugten Nachdrall richtet und dabei verlorengegangene Energie zurückgewinnt.

Eine Leiteinrichtung zwischen zwei Propellern ist zwar aus der DE 2 93 611 bekannt, auch handelt es sich um eine Pro­ pelleranordnung mit horizontaler Antriebswelle, über die Art des Antriebes der Welle ist aber nichts offenbart. Bei der Erfindung nimmt das Gehäuse den Elektromotor auf und bildet mit der Leiteinrichtung eine feste Einheit, so daß der Zwischenbereich zwischen den beiden Propellern strömungs­ technisch optimal für eine wirkungsvolle Leiteinrichtung genutzt wird.

Die Leitschaufeln des Leitapparates haben vorzugsweise ge­ krümmte Tragflächenprofile, wobei es sich strömungstechnisch als sehr günstig erweist, wenn die Krümmung in einer Vordrall- und einer Nachdrallkrümmung besteht. Damit kann der Nachdrall des Vorderpropellers wirkungsvoll gerichtet werden und durch die bei der Leitschaufelumströmung erzeugte Vortriebskraft die beim Nachdrall der Vorderpropeller verlorene Energie wieder zurückgewonnen werden.

Um die Wirkung der Leitschaufeln möglichst auszuschöpfen, wird die Längserstreckung der Leitschaufeln weitgehend dem Radius des Spitzenkreises der Propeller gleichgesetzt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher be­ schrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung als Mittellängsschnitt,

Fig. 2 in einer entsprechenden Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 die Ausführungsform gemäß Fig. 2 in entsprechen­ der Darstellung mit der Lagerung des Antriebes in einem Schiff.

Der Antrieb besteht im wesentlichen aus einem Elektro­ motor 1 in einem Gehäuse 2 außerhalb, insbesondere unterhalb des Schiffsrumpfes und zwei Propellern 3, 4, die von dem Elektromotor 1 angetrieben werden. Die beiden Propeller werden in der Regel baulich unterschiedlich sein, obwohl sie Spitzenkreise 5 mit gleichem Durchmesser haben sowie eine ähnliche Flügelgeometrie haben können. Sie haben gleiche Drehrichtung und gleiche Drehzahl und werden zum Beispiel gemäß dem Pfeil A in gleicher Richtung angeströmt (Fig. 1).

Der Elektromotor 1 ist in dem Unterwassergehäuse 2 wasser­ dicht angeordnet. Aus ihm ist beidseitig die Abtriebswelle 7 herausgeführt und seitlich vom Motor in je einen von zwei Lagern 8, 9 des Gehäuses 2 drehbar in diesem gelagert. Der Dichtung dienen Dichtungen 10, 11 seitlich der Lager 8, 9 zwischen Welle 7 und stirnseitigen Gehäusewänden 2a, 2b in Verbindung mit der Ausbildung der Stirnflächen als Teile von Labyrinthdichtungen. Außerhalb des Gehäuses 2 sind an die Welle 7 Wellenstummel 12, 13 angeflanscht, von denen je einer einen der beiden Propeller 3, 4 drehfest trägt. Stirnseitig schließen an das Gehäuse 2 Nabenkappen 14, 15 an, wobei eine stetige strömungsgünstige Außenkontur mit Kopf 14 im Bereich des vorderen Propellers 3, Mittelteil in der Form des Gehäuses 2 und Endteil 15 im Bereich des hinteren Propellers 4 gebildet wird. Die dem Gehäuse 2 zu­ gekehrten Stirnwände 14a, 15a der Nabenkappen 14, 15 sind zweite Teile der Labyrinthdichtungen 16, 17, deren erste Teile die schon erwähnten Stirnflächen 2a, 2b sind. Das Ge­ häuse 2 ist am Schiffsrumpf mit einem Fuß 18 gehalten, der hohl ausgebildet ist, dessen Außenkontur Teil des Leit­ apparates 19 zwischen den Propellern 3, 4 ist, der weitere, dem Gehäuse 2 zugeordnete Schaufeln aufweist, von denen eine dem Fuß 18 diametral gegenüberliegende Schaufel mit 20 bezeichnet ist. Insgesamt sind die Schaufeln des Leit­ apparates 19 gleichmäßig um die Längsachse der Welle 7 ver­ teilt fest dem Gehäuse 2 zugeordnet.

Insgesamt sind die Propeller 3, 4 so ausgebildet, daß das Ausgangsarbeitsniveau des zweiten Propellers 4 etwa das Endarbeitsniveau des ersten Propellers 3 ist und in Ver­ bindung mit dem Leitapparat 19 der Ausgangsdrall des er­ sten Propellers 3 ebenso wie der Eingangsdrall des zweiten Propellers 4 zweckgerichtet so beeinflußt werden, daß allen­ falls geringe Energieverluste beim Übergang der Flüssig­ keit vom ersten zum zweiten Propeller eintreten.

Die Energiezufuhr zum Elektromotor erfolgt durch Leitungen 21, die im Fuß 18 und im Gehäuse 2 an den Motor herangeführt sind, weshalb die Innenräume des Fußes 18 und des Gehäuses 2 miteinander in Verbindung stehen.

Um den Antrieb nicht nur zur Erzeugung eines Schubes in Schiffslängsrichtung (Längsachse der Antriebswelle), sondern auch zum Steuern des Schiffes einsetzen zu können, ist der gesamte Antrieb durch entsprechende Zuordnung zum Schiff und einen angemessenen Schwenkmechanismus an sich bekannter Art um die vertikale Längsachse 22 in der Mitte zwischen den beiden Propellern verschwenkbar, gegebenenfalls um 360° rundum schwenkbar, wobei die Achse 22 senkrecht zur Dreh­ achse der Wellenlängsachse 23 gerichtet ist.

Nachfolgend wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 eine besonders zweckmäßige Ausbildung des erfindungsgemäßen An­ triebes beschrieben. Dabei ist der Elektromotor 1 ein per­ manenterregter Synchronmotor mit dem Permanentmagnetrotor 25 und dem Statorblechpaket 26. An sich sind solche Motoren bekannt, weshalb der als permanenterregter Synchronmotor ausgebildete Elektromotor auch nicht näher im einzelnen beschrieben werden muß.

Die Anwendung eines solchen Motors in dem gondelartig aus­ gebildeten Gehäuse 2, das unterhalb der Schiffsaußenhaut 24 unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, zum Antrieb der beiden gleichdrehenden und in derselben Richtung A för­ dernden Propeller 3,4 hat verschiedene anwendungsspezifische Vorteile, insbesondere hinsichtlich des elektrischen Wirkungs­ grades der Maschine und sie ermöglicht den Wegfall von Zwangs­ kühlungseinrichtungen. Zusätzlich wird ein geringes Bauvolumen ermöglicht, was wiederum eine widerstandsoptimale Form des Unterwassergehäuses möglich macht, insbesondere ein Gehäuse mit einem geringen maximalen Durchmesser möglich macht.

Ein solcher permanenterregter Synchronmotor 1 ist nun in weiterer Ausgestaltung derart im gondelartigen Gehäuse 2 angeordnet, daß die durchgehende Propellerwelle 12, 13 und der Rotor 25 eine gemeinsame Lagerung mit den beiden Lagern 8, 9 haben. Im einzelnen erfolgt das in der Weise, daß der Permanentrotor 25 auf einem von ihm konzentrisch umschlosse­ nen Stützrohr 27 sitzt, das nahe seinen beiden Enden über je eine von zwei ringförmigen Membrankupplungen 28, 29 dreh­ fest der Propellerwelle 12, 13 zugeordnet ist, wobei an beiden Wellenenden die Membrankupplung 28 bzw. 29 sowie das zuge­ hörige Lager 8 bzw. 9 nahe beieinander sich befinden. Dadurch, daß Propellerwelle und Elektromotorrohr eine gemeinsame Lagerung haben, werden eine Bauteileminimierung und Zuver­ lässigkeitserhöhung der Antriebseinheit erzielt. Durch die Verwendung von dicht an der jeweiligen Radiallagerung befind­ lichen jeweiligen Membrankupplung wird eine sehr exakte, von der Propellerwellendurchbiegung weitgehend unabhängige Zentrierung des Rotors innerhalb des Stators erreicht. Das bringt erhebliche Vorteile hinsichtlich des dynamischen Verhaltens des Rotors innerhalb der Maschine (z. B. Körper­ schallanregung wird minimiert) mit sich.

Ebenfalls als Folge der Ausbildung des Elektromotors als permanenterregten Synchronmotor 1 (Fig. 2, 3) ist eine Inte­ gration des Unterwassergehäuseschaftes 18 (im Zusammenhang mit Fig. 1 als "Fuß" bezeichnet) in den Antrieb in besonders zweckmäßiger Weise möglich. Dieser Gehäuseschaft ist sehr schlank ausführbar, wodurch der Strömungswiderstand der Anlage beträchtlich reduziert wird. Dieser schlanke Unter­ wassergehäuseschaft 18 ist im Querschnitt so profiliert, daß in Verbindung mit einem seitlichen, um jeweils 90° ver­ setzten Leitflossenpaar (nicht dargestellt) und der um 180° versetzten Gegenflosse 20 eine zusätzliche Strahlentdrallung des Propellerabstromes des vorderen Propellers 3 erreicht wird, was die Wirkungsgradverbesserung bedeutet, die das dem Antrieb zugrundeliegende Konzept mit den beiden im wesent­ lichen gleichen und gleichdrehenden (Drehzahl und Drehrichtung) Propellern bringen soll.

Eine Feststellbremse zum Festhalten der Propellerwelle 12, 13 und damit der Baugruppe, deren Teile die Propellerwelle ist, ist innerhalb der Unterwassergondel 2 angeordnet und mit 33 gekennzeichnet.

Die Ausbildung gemäß Fig. 2, 3 ergibt schließlich eine wesent­ liche Vereinfachung des Unterwassermontageaufwandes.

Bei schwimmendem Schiff montierbare/demontierbare Ruder­ propeller werden von verschiedenen Ruderpropeller-Herstellern angeboten. Der entsprechende Montageaufwand ist dabei noch erheblich. Die vorliegende Erfindung insbesondere in der Ausführungsform gemäß Fig. 2, 3 ermöglicht eine stark verein­ fachte Unterwassermontage/-demontage an der Trennstelle Unterwassergehäuseschaft-Tragkegel. Der Unterwassergehäuse­ schaft ist auch in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 18 gekenn­ zeichnet, sein oberes Ende liegt in der Ebene 24 der Schiffs­ außenhaut und ist mit dem Tragkegel 30 verbunden. Am oberen Ende ist der Tragkegel in einem Steuerungslager 31 in der Tragkonstruktion eines Schiffes gelagert. Dieses Steuerungs­ lager 31 weist einen Innenring 31a mit einem Innenzahnkranz 31b auf und dieser Lagerinnenring 31a ist dem Außenumfang des Tragkegels 30 fest zugeordnet. Der Außenring 31c wirkt über die Wälzkörper mit dem Innenring zusammen und er ist fest in die Tragstruktur des Schiffes integriert. In den Innenzahnkranz des Innenringes des Steuerungslagers greift das Ritzel (nicht gezeichnet) eines Antriebes (nicht ge­ zeichnet) ein, so daß der gesamte Antrieb um 360° um die Längsachse 22 zur Steuerung des Schiffes gedreht werden kann.

Die lösbare Verbindung zwischen Gehäuseschaft 18 und Trag­ kegel 30 ist durch eine Flanschverbindung 32 symbolisiert.

Claims (12)

1. Schiffsantrieb mit einer Antriebsmaschine und einem von dieser angetriebenen Ruder-Doppelpropeller, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Anordnung eines Propellers (3, 4) an den Enden einer Welle (7) und einer Leiteinrichtung (19) zwischen den gleichrotierenden Propellern (3, 4) die horizontal liegende Welle die Abtriebswelle eines Elektromotors (1) ist, der unter Wasser in einem Gehäuse (2) außerhalb des Schiffes angeordnet ist, aus dem die Welle (7) mit beiden Enden herausgeführt ist, um an den Enden außerhalb des Gehäuses die gleichrotierenden, ins­ besondere gleichlaufenden Propeller (3, 4) zu tragen.

2. Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung jedes Propellers (3, 4) auf der Welle (7) von jeweils einer Nabe (14, 15) umschlossen ist und die Außenkontur von Gehäuse (2) und Naben (14, 15) ein strömungsgünstig ausgebildetes Strömungsprofil ergeben, dessen Nase (14) den Propeller (3) in diesem Bereich als den in Anströmrichtung (A) vorderen Propeller aus­ weist, während der Schwanz (15) des Strömungsprofils den Propeller (4) in diesem Bereich als den in Anström­ richtung hinteren Propeller ausweist.

3. Schiffsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Elektromotor (1) ein permanenterregter Synchronmotor ist.

4. Schiffsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (25) des Motors (1) konzentrisch innerhalb des Stators (26) angeordnet ist.

5. Schiffsantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (25) über Membrankupplungen (28, 29) mit der der konzentrisch durch den Rotor hindurchgeführten, an beiden Enden zur Aufnahme der Propeller (3,4) aus dem Rotor (25) herausgeführten Propellerwelle (12, 13) drehfest verbunden ist.

6. Schiffsantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Ende des Rotors (25) und der Propeller­ welle (12, 13) eine Membrankupplung (28, 29) angeordnet ist.

7. Schiffsantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Rotors (25) unmittelbar neben jeder der Membrankupplungen (28, 29) ein Lager (8,9) angeordnet ist und daß mit diesen Lagern die Baugruppe aus Rotor (25) und Propellerwelle (12, 13) im Unterwassergehäuse (2) des Schiffsantriebes gelagert ist.

8. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (25) über ein Rotorstütz­ rohr (27) mit der Propellerwelle (12, 13) gekuppelt ist.

9. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) über einen Gehäuse­ schaft (18) und einen Tragkegel (30) um eine zur Propeller­ welle (12, 13) senkrecht verlaufende, die Längsachse (23) der Propellerwelle schneidende Schwenkachse (22) um 360° durchgehend schwenkbar ist.

10. Schiffsantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseschaft (18) und Tragkegel (30) in der Ebene der Schiffsaußenhaut (24) lösbar miteinander ver­ bunden sind (Flanschverbindung).

11. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Querschnitt des Trag­ kegels als dessen unterer Querschnitt dem Gehäuseschaft (18) zugekehrt ist und der Tragkegel im Bereich des größeren, oberen Querschnitts um die Vertikale, die Längsachse (23) der Propellerwelle (12, 13) schneidende Achse (22) schwenkbar im Schiff gelagert ist (Lager 31).

12. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Gehäuseschaft (18) als eine von mehreren gleichen Leitschaufeln (18, 20) eines Leit­ apparates (19) zwischen den beiden Propellern (3,4) ausgebildet ist, die gleichbeabstandet auf den Umfang des Gehäuses (2) verteilt sind.