DE2039258A1 - Zusatzantrieb fuer eisbrechende Schiffe - Google Patents

Description

Dipl. Ing. Dr. Ing. E.h. Heinrich Waas —***ί-

Zusatzantrieb für eisbrechende Schiffe Beschreibung

Zum Eisbrechen bestimmte Schiffe werden im allgemeinen durch Propeller, insbesondere durch Schraubenpropeller, angetrieben, die sich grundsätzlich nicht von denen der übrigen Schiffe unterscheiden. Andere, für die Besonderheit der Eisfahrt erdachte Antriebe oder Zusatzantriebe sind zwar bekannt, haben sich aber nicht durchsetzen können, so z.B. am Vorschiff angebrachte Baupen (Deutsches Patent Nr. 933078) oder Räder (Deutsches Patent Nr. 64277). So richtig nämlich der Gedanke an solche, unmittelbar auf das zu brechende Eis wirkende "Frontantriebe" ist, so schwer war es bisher, ihn zu verwirklichen. Denn diese Antriebe -müssen über und unter der Wasserlinie mit dem Vorschiff zu einer Konstruktion vereinigt werden, die auch die Forderungen an Festigkeit gegen schwere Eisstösse, Geschlossenheit gegen hoch aufgetürmte Eisbarrieren und Dichtigkeit gegen Eindringen von Eisstücken oder Wasser erfüllt, was praktisch unmöglich ist.

Ein weiterer Grund dafür, dass insbesondere für arktisches Eisbrechen obengenannte Sonderantriebe nicht in Betracht kommen konnten, liegt in Folgendem: Schiffe, die in arktischen Seegebieten eisbrechen wollen, müssen auf den langen eisfreien Wegen dorthin seetüchtig sein. Sperrige Konstruktionen, wie sie sich etwa bei Rädern oder Raupen im Vorschiff ergeben, beeinträchtigen die Seetüchtigkeit. Ebenso ist es gerade beim Einsatz im arktischen Eis wegen der Ferne von Reparaturwerften unabdingbar, Konstruktionen mit geringster Störanfälligkeit zu verwenden. Auch diese Forderung ist bei obengenannten Frontantrieben nicht erfüllbar.

Die Tendenz in der Entwicklung eisbrechender Schiffe zielte bisher was den Antrieb betrifft - auf immer stärkere Schraubenpropeller, die nur mittelbar über die Kraft des durch sie beschleunigten Wassers auf das Eis einwirken können. Dabei musste in Kauf genommen werden, dass der Propulsionswirkungsgrad in sehr schwerem Eis bei den zwangsläufig entstehenden kleinen Fahrtgeschwindigkeiten sehr niedrig wird. Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden. Der Gedanke der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Das von links nach rechte auf die Eisdecke 1 auflaufende Vorschiff 2

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hat an der Stelle 3, wo der Widerstand des noch festen Eises besonders stark wirkt, ,eine Öffnung in der Aussenhaut. Diese wird durch einen Stempel k ausgefüllt, der sich hin und her bewegt in einem Rohr 5, dessen Achse 6 mit der Fahrtrichtung des Schiffes einen spitzen Winkel bildet. Der Stempel übt mit seiner Druckplatte 7 auf das Eis eine Kraft 8 aus, die in die Komponenten 9 (senkrecht zur Aussenhaut) und 10 (parallel zu ihr) zerlegt werden kann. Kräfte und Bewegungsrichtung des Stempels ändern sich periodisch. Ausgehend von einer oberen Totlage mit bündiger Lage zur Aussenhaut bewegt sich die Druckplatte 7 des Stempels abwärts und rückwärts, nach einer unteren Totlage wieder aufwärts und vorwärts bis zur Ausgangsstellung. Dann wiederholt sich das Spiel. Fig.3 zeigt eine Skizze der Bauweise mit einem für die Wirkung wesentlichen Detail: Damit die parallel zur Aussenhaut gerichtete, die Propulsion bewirkende Kraft 10 auch, ohne abzugleiten, voll auf das Eis wirken kann, ist die Druckplatte 7 auf ihrer Unterseite mit Widerhaken oder Sperrklinken 11 versehen, die während des Hubes 12 beim Rückwärtslauf greifen und beim Vorwärtslauf gleiten. Der Propulsionseffekt ähnelt dem bei Seehundsfellen, die der Skiläufer beim Steigen benutzt. Bei diesen wirken die rückwärts gerichteten Haare als Sperrklinken.' Nach den Gesetzen der Mechanik ergibt sich für einen solchen Antrieb,solange er auf das Eis wirkt, ein guter Propulsionswirkungsgrad. Er ist dem des Schraubenpropellers umsomehr überlegen, je mehr die Schiffsgeschwindigkeit infolge von dickem Eis absinkt. Ein weiterer, aus der Wirkungsweise des Stempelantriebes herzuleitender Effekt verbessert den Wirkungsgrad der Propulsion und ist aus einem Vergleich von Fig.l mit Fig.2 zu erkennen. Wie erwähnt, schiebt sich das Vorschiff eines mit Stempelantrieb ausgerüsteten Schiffes auf die Eisdeckel. Wenn man die an der zu erwartenden Bruchstelle 13 auftretenden Kräfte ermitteln wilj., sind die Kraftkomponenten 9 und 10 massgeblich. Beide Kräfte liefern an der Bruchstelle Zugspannungen, wirken also im gleichen Sinne und begünstigen das Brechen. Anders ist es beim Vorschiff eines nur konventionell angetriebenen Schiffes in Fig.2. Die von der Aussenhaut senkrecht auf das Eis ausgeübte Kraft bewirkt an der Bruchstelle 13 ebenfalls eine Zugspannung; die parallel zur Eisdecke wirkende, durch die Reibung zwischen Aussenhaut und Eis erzeugt Kraft 15 jedoch eine Druckspannung. Der Bruch bei 13 wird hier also erschwert, da die Wirkung beider Kräfte entgegengesetzt, ist. Das bedeutet, dass beim Antrieb nur durch Propeller eine grössere, senkrecht zur Eisdecke wirkende Kraft zum Bruch erforderlich ist als beim Stempelantrieb.

Neben dem guten Wirkungsgrad der Propulsion ist gleich-zeitig die gute Betriebssicherheit ein charakteristisches Merkmal der Erfindung. Dank der vom Inneren des Schiffes zugänglichen Stempel lässt sich allen beweglichen Teilen, die mit Eis in Berührung kommen, Wärme zuführen, etwa durch das Kühlwasser der Wärmekraftmaschinen. Dadurch kann die Anlage vor Vereisung geschützt werden, ebenso können die in der Nähe liegenden, periodisch starkem Eisdruck ausgesetzten Teile der Aussenhaut zur Verminderung der Reibung erwärmt werden.

Der Stempelantrieb dürfte im allgemeinen am besten wirken, wenn er im Vorschiff angebracht wird. Gegenüber anderen, bei Eisbrechern bekannten Vorschiffsantrieben, insbesondere den Vorschiffspropellern, hat er auch noch den Vorteil, dass sich im eingefahrenen Zustand ein praktisch glattes Unterwasserschiff ergibt. Er stört dadurch auch beim Boxen im Eis nicht. Während also bisher die für sehr dickes Eis gebauten arktischen Eisbrecher auf den die Propulsion sehr fördernden und bei Ostsee-Eisbrechern gut bewährten Bugantrieb verzichten mussten, weil Propeller und ihre Lagerung nicht einziehbar gebaut werden können, ist der einziehbare Stempelantrieb ein geeigneter Bugantrieb, und zwar auch bei Eisdicken, die in den Bereich des Schiffstiefganges hineinragen.

Ebenso wie beim Schraubenpropeller ist es auch beim Stempelantrieb vor allem bei grossen Schiffen sinnvoll, die Leistung auf mehrere Stempel aufzuteilen, die vorzugsweise nebeneinander über die Schiffsbreite verteilt sind. Durch unterschiedliche Neigung der Rohrachse lässt sich jede Druckplatte der Form der Aussenhaut harmonisch einfügen. Ferner kann ein Steuergerät so auf Phase, Frequenz oder Amplitude der Stempel einwirken, dass der Kurs des Schiffes beeinflusst oder die vom Schiff auf das Eis gerichtete maximale Kraft dosiert wird. So dürfte es z.B. bei der Gefahr, im Eis stecken zu bleiben, richtig sein, alle Stempel gleichphasig laufen zu lassen, um eine extreme Stosswirkung zu erzielen; bei normalen Eisverhältnissen wäre es aber richtiger, die Stempel in verschiedener Phase zu betreiben, um eine gleichmässigere Geschwindigkeit zu erhalten. Die Stempel können in mannigfacher Art, etwa durch ünwuchten oder Kurbeltrieb, angetrieben werden, oder auch durch Kolben mit elektrodynamische», hydraulischem oder thermodynamisehern Antrieb. Vorzugsweise sind folgende Antriebsarten geeignet:

a) In Fig.3 dargestellte, gegenläufig rotierende, elektrisch angetriebene Unwuchtmassen 16 liegen in ihrer Phase so, dass nur Kräfte in Richtung der Rohrachse wirksam werden. Auf einen mit dem Stempel k verbundenen Kolben 17 wirkt Druckluft so ein, dass die.obere Totlage der Druckplatte 7

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etwa bündig mit der Schiffsaussenhaut abschliesst.

b) eine Ramme_retwa wie in der Bauindustrie bekannt, wird so angeordnet, dass ihr Bär sich in Richtung der Achse 6 bewegt und auf den Stempel schlägt. Beim Hochholen des Bars zieht eine Federung den Stempel ebenfalls nach oben.

c) Eine elektrodynamisch wirkende, konzentrisch zur Achime 6 angeordnete Spule zieht einen fest mit dem Stempel 4 verbundenen Kern periodisch in Richtung dieser Achse hin und her. ^v

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Claims (7)

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1. ]A.ntriebsorgan für eisbrechende Schiffe, dadurch gekennzeichnet,

^v— dass ein periodisch durch eine Öffnung der Schiffsaussenhaut austretender, in seiner Bewegungsrichtung mit der Fahrtrichtung einen spitzen Winkel bildender Stempel (4), der eine Druckplatte (7) mit nach rückwärts wirkenden Sperrklinken (ll) trägt, eine eisbrechende und gleichzeitig Vortrieb erzeugende Kraft ausübt.

2. Antriebsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine Druckplatte (7) als Boden und sein Stempel (4) als Mantel eines Zylinders ausgebildet ist, wobei der Zylindermantel als Lager für die Aufnahme der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stempels wirkenden Kräfte dient. ·

-3. Anordnung mehrerer Antriebsorgane nach Anspruch 1 an einem Schiff, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch ein Steuergerät verbunden sind, das auf Phase, Frequenz oder Amplitude der Stempelbewegungen einwirkt, um den Kurs des Schiffes oder die Gesamtwirkung der auf das Eis gerichteten Kräfte zu beeinflussen.

4. Antriebsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel durch gegenläufig rotierende Unwuchten (l6) bewegt wird, die in ihrer Phase so liegen, dass nur Kräfte in Richtung der Aehse* (6) des Stempels wirken.

5« Antriebsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel durch Rammen, wie sie in der Bauindustrie bekannt sind, in Richtung der Achse (6) nach unten und durch eine Federung wieder nach oben bewegt wird,

6. Antriebsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel durch einen Kurbeltrieb bewegt wird.

7. Antriebsorgan nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel durch eine konzentrisch zur Achse (6) angeordnete Spule bewegt wird, die einen mit dem Stempel (4) festverbundenen Eisenkern periodisch in sich hineinzieht und wieder herauastösst.

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