DE20004243U1 - Propeller mit Antriebsring am Außendurchmesser für hydrodynamische Antriebstechnik (Propeller, Impeller, Turbinen) - Google Patents

Propeller mit Antriebsring am Außendurchmesser für hydrodynamische Antriebstechnik (Propeller, Impeller, Turbinen)

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Description

Karl-Heinz Majewski, Dipl. Ing.(FH)
Neuer Faulenhoop 35
D-23568 Lübeck
Propeller mit Antriebsring am Außendurchmesser für hydrodynamische Antriebe.
RADIANT-PROPELLER fRADialANgeTriebener Propeller / Impeller / Turbinenrad).
Ein Propeller der an den Flügelspitzen mit einem Antriebsring versehen ist, über den die Antriebsleistung tangential am Umfang auf den Propeller übertragen wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 in der Form, dass die Leistungsübertragung bzw. die Belastung des Propellers / Impellers / Turbinenrades auf mehrere Bauteile verteilt wird, um eine gleichmäßigere Materialbeanspruchung und gravierende Vereinfachung des Schiffsantriebssystemes zu ermöglichen.
Bei allen herkömmlichen Wasserfahrzeugen wird die Antriebsleistung bisher mittels einer Antriebswelle auf den Propeller (freischlagend oder in einer Düse arbeitend) bzw. den Impeller (bei "water-jet" Antrieben) übertragen. Bei Turbinen ist es dasselbe Prinzip. In umgekehrter Richtung des Kraftflusses wird die Turbinenleistung auf die Generatorwelle übertragen.
Die Berechnung und Ausführung derartiger Antriebe wird von verschiedenen international anerkannten und registrierten Klassifikationsgesellschaften ( ABS ; BV; DNV; RINA; LR; GL ; SBG usw.) in deren Handbüchern ausführlich und verbindlich zum Erhalt der Zulassung zum internationalen Schiffsbetrieb vorgeschrieben.
• Für alle Konstruktionen gilt bei der Berechnung der Wellenabmessungen, dass die gesamte Belastung über die Propellerwelle übertragen werden muss (Drehmoment, Schubkraft, Biegung infolge der Lagerkräfte und zusätzliche Torsionskräfte infolge der Eisklassenfaktoren bzw. der Motorencharakteristik (umfangreiche Kalkulation der Torsionsschwingungen).
• Für alle Konstruktionen gilt bei der Berechnung der Flügelstärken dasselbe, nämlich die Berücksichtigung des Schubes und des daraus resultierenden Biegemomentes (Biegespannungen), der Fliehkraft und der daraus resultierenden Normalspannungen + der Biegespannungen und Torsionsspannungen bei Flügelrücklage (skew back Propeller) und Flügelhanglage.
• Freischlagende Propeller sind besonders gefährdet bei Eisfahrten oder bei geringen Wassertiefen, wenn durch Eis- bzw. Grundberührung mechanische Beschädigungen (Verbiegungen, Ausbrüche) eine umfangreiche Reparatur erfordern oder sogar einen Totalschaden verursachen.
Oftmals wird dabei auch die Propellerwelle verbogen bzw. verdreht und ist nicht mehr reparabel. Zeitaufwendige und teure Ersatzlieferung wird erforderlich und verursacht zusätzlich einen langen Betriebsausfall des Schiffes.
• Auch Propeller, die in Düsen arbeiten, sind ähnlich gefährdet, weil immer wieder Treibgut vom Propeller hineingezogen werden kann und sich zwischen Flügelspitze und Düsenring verkeilt und zu erheblichen Schäden fuhrt.
• Dasselbe gilt für Querstrahlpropelleranlagen, die vor allem im Hafen beim manövrieren Treibgut in den Propellerbereich ziehen.
• Infolge dieser komplexen Belastungen ergeben sich bauliche Abmessungen im Verhältnis des Durchmessers der Propellernabe / Propellerdurchmesser von ca. 22% bis 40% (je nach Leistung /Drehzahl oder Eisklasse). Dadurch wird der Wirkungsgrad des Propellers erheblich reduziert.
• Die gesamte Antriebsanlage ( Hauptmaschine, Getriebe, Wellenanlage, Ruderanlage) von herkömmlichen Systemen ist sehr aufwendig in der Konstruktion und Ausführung für den Schiffbau.
• Besonders aufwendig ist z.B. die Ausrichtung der Motoren-, Getriebe-, Stehlager- und Stevenrohrlager mit z.B. Laserstrahlmethode, angepaßt an die berechnete Biegelinie unter Berücksichtigung gleichmäßiger Lagerlasten bei verschieden Beladungszuständen des Schiffes.
Für Mehrschraubenschiffe ergeben sich durch die besonders langen Seitenwellenanlagen zusätzliche umfangreiche Konstruktions- und Betriebsprobleme.
• Das hintere Stevenrohrlager (Wellenbocklager bei Mehrschraubenschiffen) ist besonders belastet durch die einseitige freie Lagerung des hinteren Wellenendes (höchste Biegespannungen der Propellerwelle in der hinteren Lagerstelle) mit dem schweren Propeller.
• Die Abdichtung und Wartung des Stevenrohres verursacht immer wieder teure und zeitaufwendige Docktermine, bei denen der Propeller demontiert und die Welle gezogen werden muß.
KOSMA(EK)
Konstruktion + Service für Maschinenbau
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A-2-
Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Antriebssystemes, bei dem die Leistungsübertragung auf den Propeller (Impeller, Turbinenrad) aus dem Zentrum auf den Durchmesser (Radius) verlagert wird, und damit eine wesentlich gleichmäßigere, leichtere, einfachere, sicherere und effektivere Konstruktion ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 wie folgt gelöst:
• Der Propeller ist am äußeren Durchmesser mit einem stabilen Antriebsring versehen, der mit den Flügelspitzen fest verbunden ist. Je nach Konstruktion in einem Stück gegossen, verschweißt oder aber auch verschraubt. Infolge des großen Antriebsradius beträgt die tangentiale Antriebskraft bei gleicher Leistung ca. nur 6% der vergleichbaren Kraft, die durch Reibschluß (hydr. Pressverband, Passfeder oder Ringspannelemente) bei der herkömmlichen Verbindung Welle / Propeller übertragen werden muß.
• Ein „Durchrutschen" bei eventuellen Havarien führt nicht zum Verlust des Propellers, sondern ist ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor gegen Beschädigungen. (Bei Verwendung von Flachriemen oder Keilriemen )
• Der Antrieb kann über Keilriemen, Zahnriemen, Flachriemen, Zahnrad, Magnetfeldantrieb oder andere übliche Antriebselemente erfolgen.
• Durch einen variabel wählbaren Durchmesser des Antriebsrades läßt sich das Übersetzungsverhältnis Antriebsdrehzahl / Propellerdrehzahl direkt beeinflussen, wodurch ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe eventuell nicht mehr erforderlich ist.
• Aus der Propellerwelle wird eine „Propellerachse", dass heißt das Drehmoment wird nicht mehr über die Propellernabe auf die Flügel übertragen! Dadurch kann der Durchmesser der Achse prinzipiell um ca. 50% reduziert werden, wodurch sich folglich auch der Nabendurchmesser um ca. 50% verringert.
• Die dünnere Propellerachse wird beidseitig in Lagerböcken gelagert. Sie überträgt den axialen Propellerschub über die Lagerböcke auf die Propellerdüse und nimmt die radialen Lagerlasten auf. Durch die kleineren Lagerdurchmesser ergeben sich entsprechend kleinere Dichtungsdurchmesser mit geringeren Umfangsgeschwindigkeiten. Dadurch ist ein besserer Wirkungsgrad und weniger Verschleiß und Ölverlust zu erwarten.
• Bei fest installierten Anlagen kann die Antriebswelle entsprechend leicht und einfach konstruiert werden. Es ist jedoch eine Ruderanlage erforderlich.
• Die gesamte Konstruktion läßt sich (wie z.B. bei den bekannten Schottelantrieben, die aber über eine voluminöse Getriebegondel die Leistung ebenfalls auf die zentrale Propellerwelie übertragen) um 360° schwenken, wodurch die Manövrierfähigkeit optimiert wird, der Propeller auch bei „Zurück" maximalen Schub entwickelt, und einen hinteren Querstrahlpropeller sowie die Ruderanlage überflüssig macht.
• Die aufwendige und schwere Wellenanlage, die bisher ein hohes Drehmoment und den Schub des Propellers übertragen muß, entfallt durch diese Anordnung.
• Die Konstruktion des Querstrahlpropellers ermöglicht einen Ausbau der Anlage bei entsprechend getrimmtem Schiff nach innen ohne docken zu müssen.
• Die Konstruktion des Hauptantriebes ermöglicht den Ausbau des Propellers ohne Spezialwerkzeuge wenn der Düsenauslauf komplett mit hinterem Lagerbock nach hinten demontiert worden ist.
• Stabilität und Laufruhe werden durch die doppelte Lagerung der Konstruktion im Schiffsrumpf gewährleistet. Der obere Drehteller, über den die Schwenkbewegung (Steuerung) erfolgt, wird im Schiffsrumpf gelagert. Der untere Zapfen wird in einer Hacke gelagert, die gleichzeitig einen gewissen Schutz des Systems bei Grundberührung gewährt.
• Die erhebliche Wirkungsgradverbesserung wird durch die vielfachen hydrodynamischen Vorteile ermöglicht:
1. Verringerung des Verhältnisses Propellernabe/Propellerdurchmesser von ca. 22-40% auf ca. 12-22%
2. Zusätzlicher Schub durch die Propellerdüse.
3. Zusätzlicher Schub durch die Lagerbockarme, wenn diese-als Leitprofile im Zustrom bzw. im Propellerstrahl im hinteren Düsenbereich optimiert werden.
4. Keine Druckverluste an den Flügelspitzen infolge der Umströmung von der Druckseite zur Saugseite, weil die feste Verbindung der Flügelspitzen mit dem Antriebsring dies nicht zuläßt.
Die häufig auftretenden Kavitationsschäden an den Flügelspitzen werden dadurch ebenfalls vermieden.
5. Es können außerdem zwei gegenläufig drehende Propeller mit relativ wenig technischem Mehraufwand auf der Propellerachse installiert werden. Diese können durch unterschiedliche Antriebsräder leicht auf die optimalen Drehzahlverhältnisse zueinander angepaßt werden, wenn besonders hohe Ansprüche an den Gesamtwirkungsgrad der Antriebsanlage gestellt werden.
6. Durch den Wegfall des Ruders mitsamt den erforderlichen Anhängen entfallen auch die negativen Einflüsse auf den Nachstrom.
KOSMA(EK)
Konstruktion + Service für Maschinenbau
DJpTfBX(FH)T: : :
Propeller mit Antriebsring am Außendurchmesser fur hydrodynamische Antriebe.
RADIANT-PROPELLER (RADialANeeTriebener Propeller / Impeller / Turbinenrad).
Ein Propeller der an den Flügelspitzen mit einem Antriebsring versehen ist, über den die Antriebsleistung tangential am Umfang auf den Propeller übertragen wird.
Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen dargestellt und im folgenden ausführlich in Anordnung und Funktion besehrieben.
1. Ausführung einer Querstrahlanlage. Z.Nr.: P-001.03
Ansicht / Schnitt der Zusammenstellung (Bauteile mit Positionsnummern )
Kern der technischen Lösung ist der Ringpropeller (Pos.01) der auf einer beidseitig gelagerten Propellerachse (Pos.05) befestigt ist!
Die Propellerachse (Pos.05) ist in den Lagerböcken (Pos. 02) radial gelagert und axial durch die Ablaufmuttern (Pos.04) fixiert.
Die Lagerböcke (Pos.02) sind mit dem Gehäuse (Pos.03) fest verschraubt.
Tm oberen Gehäuseteil ist das Antriebsrad (Pos.06) auf der Antriebswelle (Pos.07) befestigt.
Die Antriebswelle (Pos.07) ist beidseitig in den Lagerdeckeln (Pos.09) gelagert und axial fixiert.
Die Leistung wird im Beispiel durch Keilriemen (Pos.08) vom Antriebsrad (Pos.06) auf den Ringpropeller (Pos.01) übertragen.
Mit den Schiebehülsen (Pos.10) wird die gesamte Vorrichtung in dem quer durch das Vorschiff verlaufenden Rohr zentrisch und axial fixiert.
Der durch den Ringpropeller entwickelt Schub wird je nach Drehrichtung des Antriebsmotors über die Propellerachse auf das in den Ablaufmuttern integrierte Drucklager auf die Lagerböcke übertragen und entsprechend mit den Armen der Lagerböcke auf das Gehäuse bzw. die Schiebehülsen in den Schiffsrumpf geleitet, wodurch die Querbewegung des Schiffes nach Backbord oder Steuerbord gesteuert werden kann.
Besonders vorteilhaft wirkt sich bei dieser Version der kleine Nabendurchmesser des Ringpropellers auf den Wirkungsgrad aus.
Es ist möglich den kompletten Antrieb nach innen im Schiff zu demontieren!
Durch axiale Verschiebung eines Zwischenrohres des schiffbaulichen Rohres kann die gesamte Baugruppe zu Reparaturzwecken ohne Dockung bei entsprechender Trimmung des Schiffes demontiert werden (Ballasttanks entsprechend nutzen bis das Querstrahlrohr oberhalb der Wasserlinie liegt).
Für längere Reparaturen könnte die Lücke durch ein zusätzliches Zwischenrohr für die Dauer der Reparatur geschlossen werden und das Schiff bis zum Einbau weiter im Einsatz bleiben.
2. Ausführung als „Water-Jet" -Anlage.
Die Ausführung als „Water-Jet"-Anlage ist im Prinzip baugleich mit der Querstrahlanlage und unterscheidet sich im wesentlichen nur in der Position der Anlage. Aus Platzgründen wird bei diesen meist flachwassertauglichen Fahrzeugen der „Impeller" waagerecht im Rumpf eingebaut und dient als „Wasserpumpe" für den Wasserstrahlantrieb.
Alle bisher angeführten Vorteile des Querstahlantriebes sind für diese Art der Verwendung übertragbar!
3. Ausführung als Turbinen-Anlage (Kraftwerk)
Die Ausführung als Turbinen-Anlage unterscheidet sich im wesentlichen nur im umgekehrten Energiefluß in der Anlage. Es wird anstelle eines Antriebsmotors an der Antriebswelle nur ein Generator installiert, um die von der Turbine aufgenommene mechanische Energie in Elektroenergie umzuwandeln!
KOSMA(EK)
Konstruktion + Service für Maschinenbau Karl-Heinz Majewski, Dipl. Ing.(FH)
23568!ü8ack
B-2-
4. Ausführung als Hauptantriebsanlage Z.Nr: P-002.03 Ansicht / Schnitt der Zusammenstellung (Bauteile mit Positionsnummern)
Kern der technischen Lösung ist der Ringpropeller (Pos.01) der auf einer beidseitig gelagerten Propellerachse (Pos.05) befestigt ist!
Die Propellerachse (Pos.05) ist in den Lagerböcken (Pos. 02) radial gelagert und axial durch die Ablaufmuttern (Pos.04) fixiert.
Die Lagerböcke (Pos.02) sind mit dem Düseneinlauf (Pos.ll) bzw. dem Diisenauslauf (Pos.12) fest verbunden.
Im oberen Gehäuseteil ist das Antriebsrad (Pos.06) auf der Antriebswelle (Pos.07) befestigt.
Die Antriebswelle (Pos.07) ist beidseitig im oberen Gehäuse gelagert und axial fixiert.
Das obere Gehäuse ist mit dem unteren Gehäuse mit zwei stabilen, hohlen Profilen fest verbunden. Die Länge der Profile ist abhängig von der günstigsten Position des unteren Gehäuses im Nachstromfeld des Schiffes und kann dementsprechend optimiert werden.
Die Leistung wird im Beispiel durch Keilriemen (Pos.08) vom Antriebsrad (Pos.06) auf den Ringpropeller (Pos.01) übertragen.
Die Kraftübertragung kann alternativ über Flachriemen, Kette, Zahnriemen oder ähnliche Maschinenbauelemente bewirkt werden.
Die gesamte Anlage ist über den Drehteller (Pos.09) um 360° schwenkbar.
Dadurch ist die optimale Schubwirkung in jeder Winkelposition (auch bei „Rückwärts") voll wirksam.
Die Drehrichtung des Propellers kann also beibehalten werden, und die Druckseite der Flügelprofile wechselt nicht, wie es sonst beim umsteuern des Propellers zwangsläufig erfolgt.
Auf eine Ruderanlage und den oftmals installierten Querstrahlpropeller im Heck kann aus diesen Gründen ebenfalls verzichtet werden.
Zur größeren Stabilität des Systems und zur Verbesserung der Laufruhe kann die Anlage mit dem unteren Zapfen (Pos.10) in einer schiffbaulichen stabilen Hacke gelagert werden, die zusätzlich einen gewissen Schutz bei Grundberührung oder Eisgang bietet.
Der Düseneinlauf (Pos.ll) und der Düsenauslauf (Pos.12) sind fest mit dem unteren Gehäuse verschraubt, zu Montage- oder Reparaturzwecken jedoch lösbar.
Die Lagerböcke (Pos.02) sind mit dem Düseneinlauf (Pos.ll) bzw. mit dem Düsenauslauf (Pos.12) fest verbunden. Die Lagerbockarme sind zur Wirkungsgradverbesserung als Profilarme ausgebildet und tragen zur Schuberhöhung bei, indem sie den Wasserstrahl umlenken bzw. gleichrichten.
Sie unterstutzen damit die Funktion der Propellerdüse.
Bei besonders hohen Anforderungen an den Wirkungsgrad des Antriebes können zwei gegenläufig arbeitende Ringpropeller auf der Propellerachse angeordnet werden, und über zwei Antriebsmotoren unabhängig in der Drehzahl optimal angetrieben werden. Dabei werden am oberen Gehäuse zwei Antriebsräder unabhängig voneinander installiert.
Selbstverständlich kann die Konstruktion auch fest im Hinterschiff installiert werden, um einen kostengünstigen, effektiveren aber konventionellen Schiffsantrieb anbieten zu können. Bei dieser Art des Einbaues reduzieren sich die Vorteile allerdings wie folgt:
• Die Antriebswelle kann wie vorher wegen des geringen Drehmomentes und Schubes entsprechend leicht ausgeführt werden.
• Es ist eine Ruderanlage zum Steuern des Schiffes notwendig.
• Der Rückwärtsschub ist nur durch Umkehr der Drehrichtung möglich und beträgt wegen des Wechsels der Druckseite der Flügel nur ca. 70% des Vorausschubes.
• Die Manövrierfähigkeit ist nicht mehr so gut wie bei der schwenkbaren Düse.
KOSMA(EK)
Konstruktion + Service für Maschinenbau Karl-Heinz Majewski, Dipl. Ing.(FH)

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Antrieb von Wasserfahrzeugen und Wasserkraftturbinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsübertragung (Kraftübertragung) am Umfang tangential auf den mit den Flügelspitzen fest verbundenem Antriebsring erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung mit Kette (bzw. anderen formschlüssigen Elementen) oder Keilriemen (bzw. anderen kraftschlüssigen Elementen) betrieben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Propellerwelle eine Propellerachse wird, die nur noch mit "Normalspannungen" (Druck und Biegespannung) belastet wird, weil die "Torsionsspannungen" infolge der Verlagerung des Drehmomentes an den Umfang des Propellers entfallen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerachse vor und hinter dem Propeller beidseitig gelagert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den massiven Antriebsring ein großes Schwungmoment besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerflügel in dem fest verbundenen Antriebsring und durch die Lagerbockarme vor und hinter dem Propeller besonders gut vor Beschädigungen geschützt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialspannungen infolge der Aufteilung der Belastungen gleichmäßig ausfallen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahlübersetzung direkt am Propeller erfolgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsdrehzahl der Antriebswelle relativ hoch ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbockarme als Leitschaufeln ausgeführt werden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung von zwei gegenläufig drehenden Propellern auf einer Propellerachse und entsprechend geteilter Antriebswelle mit zwei Antrieben erfolgt.
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Citations (4)

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DE2242733A1 (de) 1972-08-31 1974-03-07 Motoren Turbinen Union Schiffsantrieb
DE2744913A1 (de) 1977-10-06 1979-04-12 Hatlapa Uetersener Maschf Hydraulische steuervorrichtung fuer verstellpropeller
DE3935754A1 (de) 1989-10-27 1991-05-02 Telefunken Systemtechnik Vortriebsvorrichtung fuer wasserfahrzeuge, schwimmende bauwerke u. dgl.
DE19717175A1 (de) 1997-04-24 1998-10-29 Voith Hydro Gmbh Wasserstrahlantrieb für ein Wasserfahrzeug

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