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Schiff
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mit mindestens einem am Heck angeordneten Propeller Die Erfindung
betrifft ein Schiff mit mindestens einem am Heck angeordneten Propeller, der mit
einem Antriebsmotor an Bord des Schiffes gekoppelt ist. Die Erfindung ist in erster
Linie für große Handels- oder Passagierschiffe mit einer Motorleistung von mindestens
365 kW bestimmt.
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Infolge des gestiegenen Ölpreises, der zu einer beträchtlichen Erhöhung
der Kosten für den Schiffsantrieb geführt hat, gewinnt der Bau von Schiffen mit
hohem Antriebswirkungsgrad immer mehr an Bedeutung. Für den Antriebswirkungsgrad
ist der entscheidende Faktor der Wirkungsgrad des Propellers, d.h. die Fähigkeit
des Propellers, die von der Antriebsmaschine des Schiffes gelieferte Energie in
nutzbare Antriebsenergie umzuwandeln. Der Wirkuagsgrad des Propellers hängt wiederum
von zahlreichen Parametern oder Faktoren ab, von denen der Propellerdurchmesser
der wichtigste ist. Ganz allgemein gilt, daß bei einer optimalen Anpassung der Propellerdrehzahl
an den Propellerdurchmesser ein größerer Propellerdurchmesser einen höheren Propellerwirkungsgrad
und damit einen besseren Antriebswirkungsgrad ergibt, weil die kinetischen Verluste
in der Propellerbahn geringer sind. Deshalb haben Bemühungen zur Senkung der Treibstoffkosten
von Schiffen in jüngster Zeit allgemein zu Versuchen geführt, größere Propeller
in bezug auf die Schiffsgröße mit niedrigeren Drehzahlen als bisher zu verwenden.
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Beispielsweise sind ältere Motorschiffe mit Propellern ausgerüstet,
deren Durchmesser normalerweise 50-65% des Tiefgangs des Schiffes entspricht und
deren Antriebswirkungsgrad etwa 5565% erreicht. Bei modernen Schiffen dagegen beträgt
der Propellerdurchmesser oft 80-90% des Tiefgangs des Schiffes, und das Schiff hat
ein speziell ausgebildetes sogenanntes Halbtunnelheck, um zu verhindern, daß der
Propeller Luft ansaugt. Auf diese Weise konnten Antriebswirkungsgrade von 70-75%
erzielt werden.
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Als Faktoren, die einer weiteren Vergrößerung des Propellerdurchmessers
entgegenstehen, werden bisher angesehen: a) das Erfordernis eines vorgegebenen kleinsten
Abstandes zwischen Propeller und Schiffsrumpf; b) das Ansaugen von Luft durch den
Propeller; und c) der Gesamttiefgang des Schiffes. Um unannehmbare Schwingungen
im Schiffsrumpf zu vermeiden, muß ein Mindestabstand -zwischen Propeller und Schiffsrumpf
eingehalten werden. In dieser Hinsicht begrenzt der vorhandene Raum in der Propelleraussparung
oder -öffnung die Höhe, bis zu der sich der Propeller nach oben erstrecken kann.
Ein anderes Erfordernis besteht darin, daß der Propeller keine nennenswerte Mengen
Luft ansaugen soll, was bedeutet, daß die Propellerflügel das Wasser nicht verlassen
dürfen. Deshalb gibt es eine IMCO-Norm, nach der sich der gesamte Propeller voll
unter Wasser befinden soll, selbst bei einem Tiefgang des Schiffes unter leichtestem
Ballast. Dadurch wird ebenfalls die Höhe begrenzt, bis zu der sich der Propeller
erstrecken kann. Der dritte Faktor schließt aus, daß sich ein Teil des Propellers
sich unter die Kiellinie erstreckt, da dies den effektiven Tiefgang des Schiffes
erhöht, was wegen der begrenzten Tiefe des Fahrwassers in Häfen, Hafeneinfahrten,
Kanälen und ähnlichen Wasserwegen nicht zulässig ist. Man sieht, daß diese drei
Faktoren zusammengenommen bedeuten, daß der Durchmesser des Propellers kleiner als
der Tiefgang des Schiffshecks unter leichtestem Ballast sein muß.
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Es stellte sich daher die Aufgabe zu ermöglichen, den Propellerdurchmesser
in weit höherem Ausmaß zu vergrößern, als dies bisher möglich erschien, und Propeller
mit dem zwei- oder dreifachen Durchmesser der
heutigen Propeller
zu verwenden und dadurch den Antriebswirkungsgrad auf 85 bis 90% zu steigern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
aufgeführt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Gesamttiefgang eines
Schiffes nur dann ein begrenzender Faktor für den Propellerdurchmesser ist, wenn
das Schiff sich in einem Hafen, einer Hafeneinfahrt, einem Kanal oder ähnlichen
Wasserweg von begrenzter Tiefe befindet. Wenn dagegen das Schiff auf hoher See ist,
und das ist es während des größten Teils seiner nutzbaren Lebensdauer, dann spielt
die Wassertiefe keine so große Rolle, daß sie einem wesentlichen Vorstehen des Propellers
über die Kiellinie hinaus entgegenstehen würde. Wenn das Schiff sich auf hoher See
befindet, ist es daher kein Nachteil, einen Propeller zu verwenden, dessen Durchmesser
wesentlich größer als der Tiefgang des Schiffes ist, der aber so angeordnet ist,
daß er nicht über die Wasseroberfläche herausragt und infolgedessen Luft ansaugen
könnte, sondern der sich wesentlich unter die Kiellinie des Schiffes erstreckt.
Auf diese Weise kann die gewünschte Erhöhung des Propeller- und Antriebswirkungsgrades
mit entsprechender Senkung des Brennstoffverbrauchs erreicht werden. Wenn das Schiff
sich in einem Hafen, einer Hafeneinfahrt, einem Kanal oder ähnlichen Wasserweg mit
begrenzter Wassertiefe befindet, wird dieser große Propeller in eine inaktive Stellung
gebracht und darin arretiert, in der kein Teil des Propellers über die Kiellinie
hinaus vorsteht. Bei einem zweiflügeligen Propeller, dessen Welle im Unterschiff
unbeweglich montiert ist und dessen Nabe in Höhe der Kiellinie oder etwas darüber
angeordnet ist, kann die inaktive Stellung, in die der Propeller gebracht und in
der er arretiert wird, eine solche sein, in der sich die beiden Propellerflügel
in einer horizontalen Ebene befinden. Wenn der große Propeller sich in dieser Stellung
befindet, kann das Schiff mit Hilfe von Schleppern oder - vorzugsweise - mittels
eines Hilfsantriebs, beispielsweise in Form eines rotierenden Schubgebers, eines
Aktivruders oder dergleichen, manövriert werden, wie nachstehend beschrieben.
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An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung der Seitensicht des rückwärtigen Teils eines
Schiffes gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2:
eine schematische Darstellung einer rückseitigen Ansicht des in Fig. 1 dargestellten
Schiffes; Fig. 3: eine schematische Darstellung der Seitenansicht des rückwärtigen
Teils eines Schiffes gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
und Fig. 4: eine schematische Darstellung der Rückansicht des in Fig. 3 dargestellten
Schiffes.
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Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen schematisch den rückwärtigen
Rumpf eines Schiffes 1. Die Oberfläche des Wassers ist mit 2 bezeichnet; die Kiellinie
des Schiffes wird durch die strichpunktierte Linie 3 angegeben. Der Tiefgang des
Schiffes ist mit T bezeichnet. Es ist zu beobachten, daß das Schiff, besonders unter
Ballast, oft eine gewisse Trimmlage zeigt, so daß die Kiellinie 3 in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung des Schiffes nicht horizontal verläuft, sondern rückwärts schräg
nach unten gerichtet ist. Deshalb ist der maßgebende Tiefgang für die Erfindung
der Tiefgang am Heck des Schiffes an der Stelle, wo sich der Antriebspropeller befindet.
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Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Schiff hat am Heck einen zweiflügeligen
Propeller 5, dessen Welle 6 im Schiff in Höhe der Kiellinie 3 oder etwas darüber
unbeweglich befestigt ist. Die Propellerwelle 6 ist mit einer Antriebsmaschine 7
im Unterteil des Schiffes verbunden. Erfindungsgemäß ist der Durchmesser des Propellers
5 wesentlich größer als der Tiefgang des Schiffes am Heck unter Ballast. Trotzdem
wird durch die niedrige Anordnung der Propellerwelle 6 an der Kiellinie 3 des Schiffes
vermieden, daß der Propeller 5 über die Wasseroberfläche 2
hinausragt
und Luft ansaugt, selbst dann nicht, wenn das Schiff nur mit Ballast fährt. Natürlich
erstreckt sich der Propeller 5 wesentlich unter die Kiellinie 3 des Schiffes, doch
ist dies auf hoher See kein Nachteil, da hinsichtlich des Tiefgangs keine Beschränkungen
bestehen.
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Damit das Schiff in Häfen, Hafeneinfahrten, auf Kanälen und ähnlichen
Wasserwegen mit begrenzter Wassertiefe fahren und manövriert werden kann, kann der
zweiflügelige Propeller 5 in die in Figur 2 dargestellte inaktive Stellung gebracht
und in dieser arretiert werden. In dieser Stellung sind die beiden Propellerflügel
horizontal ausgerichtet und befinden sich in Höhe der Kiellinie 3 oder unmittelbar
darüber. Der Propeller vergrößert daher bei Arretierung der inaktiven Stellung nicht
den effektiven Tiefgang des Schiffes.
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Wenn der große Propeller in dieser inaktiven Stellung arretiert ist,
kann das Schiff mit Hilfe von Schleppern manövriert werden, doch wird das Schiff
1 für diesen Zweck besser mit einem Hilfsantrieb ausgerüstet.
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Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestelltenAusführungsform besteht
der Hilfsantrieb aus einem rotierenden Schubgeber (thruster) 8. Es hat sich als
wünschenswert erwiesen, diesen rotierenden Schubgeber so auszubilden, daß er in
den Schiffsrumpf eingezogen werden kann, wenn das Schiff von dem Hauptpropeller
5 angetrieben wird, da hierdurch der von dem inaktiven Schubgeber verursachte Widerstand
vermieden wird. Der Schubgeber 8 kann aber auch so ausgebildet und angeordnet werden,
daß er mit dem Hauptpropeller 5 beim Antrieb des Schiffes zusammenwirkt; in diesem
Falle kann der Schubgeber anstelle eines herkömmlichen Ruders zum Steuern des Schiffes
eingesetzt werden. Der Schubgeber kann beim Antrieb des Schiffes durch den Hauptpropeller
5 auch in der Weise als Ruder verwendet werden, daß als zweiflügeliger Propeller
mit verstellbaren Flügeln ausgebildet wird, die in eine vertikale Stellung gebracht
und in dieser arretiert werden können. In diesem Falle kann das Schiff, falls gewünscht,
ein Ruder entbehren. Anstelle des Schubgebers kann das Schiff auch mit einem sogenannten
Aktivruder ausgerüstet werden; das ist ein Ruder, das mit einem Propeller zusqmmenwirkt,
wenn der große Hauptpropeller 5 sich in inaktiver Stellung befindet. Andere Hilfsantriebe
sind ebenfalls vorstellbar.
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Der große Hauptpropeller 5 kann entweder unveränderliche Flügel oder
solche mit verstellbarer Steigung haben; im letztgenannten Falle kann er die Form
eines sogenannten Programmpropellers haben, bei dem die Blattsteigung bei jeder
Umdrehung des Propellers verändert wird, um sie den veränderlichen Nachstrombedingungen
beim Propellerumlauf anzupassen und dadurch die vom Propeller ausgehenden Schwingungen
zu vermindern.
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Falls Propellerflügel mit verstellbarer Steigung verwendet werden,
können die Flügel vorteilhafterweise zusammenlegbar ausgebildet sein, so daß sie
zusammengelegt werden können, wenn der Propeller sich in der inaktiven Stellung
befindet, um so den Strömungswiderstand durch den Propeller zu verringern.
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Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist der
Propeller 5 als ein zweiflügeliger Propeller angenommen worden, wodurch sich die
Aufgabe, den Propeller -in eine inaktive Stellung, in der, wie in Figur 2 dargestellt,
kein Teil des Propellers unter die Kiellinie des Schiffes hinausragt, zu bringen
und in dieser zu arretieren, vereinfacht wird. Es ist jedoch auch denkbar, einen
Propeller mit vier oder sechs Flügeln zu verwenden, die in herkömmlicher Weise gleichmäßig
um die Drehachse des Propellers angeordnet sind. Um einen derartigen Propeller in
eine inaktive Stellung, in der kein Teil des Propellers über die Kiellinie des Schiffes
hinaus vorsteht, zu bringen und darin zu arretieren, kann der Propeller so ausgebildet
werden, daß gegebene Flügelpaare gegenüber der Propellernabe um die Drehachse des
Propellers geschwenkt werden können, so daß alle Flügelpaare in eine gemeinsame
Ebene gebracht und in dieser Lage arretiert werden können. Es ist denkbar, zu diesem
Zweck die Propellerflügel an der Propellernabe mit Hilfe scharnierartiger Elemente
zu befestigen, so daß die Propellerflügel in eine zur Drehachse des Propellers im
wesentlichen parallele Stellung gebracht werden können, wenn der Propeller die inaktive
Stellung einnimmt.
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Damit die Propellerwelle 6 so nahe wie möglich an der Kiellinie 3
des Schiffes gelagert werden kann, kann ein Getriebe 9 zwischen Propellerwelle 6
und Antriebsmaschine 7 angeordnet werden. Die Propellerwelle 6
kann
aber auch in dem Schiff 1 so montiert werden, daß sie sich rückwärts schräg nach
unten erstreckt, so daß die Nabe des Propellers 5 in Höhe oder nahezu in Höhe der
Kiellinie 3 des Schiffes angeordnet ist, während die Antriebsmaschine 7 im Unterschiff
höher aufgestellt ist, was im Hinblick auf die Abmessungen der Maschine vorteilhaft
ist.
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Wie ersichtlich, kann bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und
2 der Durchmesser des Propellers 5 theoretisch höchstens das Zweifache der Tauchtiefe
des Schiffes betragen, da sonst der Propeller über die Wasseroberfläche hinausragen
würde. Eine weitere Vergrößerung des Propellerdurchmessers ist jedoch möglich, wenn
die Propellerwelle so angeordnet wird, daß sie zwischen einer unteren Arbeitsstellung,
in der die Propellernabe sich unterhalb der Kiellinie des Schiffes befindet, und
einer oberen inaktiven Stellung, in der die Propellernabe oberhalb der Kiellinie
des Schiffes angeordnet ist, gehoben und gesenkt werden kann.
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Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen ein Beispiel einer solchen Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie die Figuren 1 und 2 zeigen die Figuren 3 und 4 ein Schiff 1 mit
einer Wasserlinie 2, einer Kiellinie 3, einem großen Hauptpropeller 5 mit zugehöriger
Propellerwelle 6 und Antriebsmotor 7 sowie einer Hilfsantriebsmaschine in Form eines
rotierenden Schubgebers 8. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 sind
jedoch die Propellerwelle 6 und der gesamte Motor 7 in einer wasserdichten, kastenförmigen
Wanne 10 untergebracht, die im Rumpf des Schiffes 1 schwenkbar um eine Achse 11
montiert ist, die sich im wesentlichen rechtwinklig zur Längsrichtung des Schiffes
erstreckt, so daß die gesamte Wanne 10 zwischen der dargestellten abwärts geneigten
aktiven Stellung, in der sich die Nabe des Propellers 5 wesentlich unterhalb der
Kielliniedes Schiffes befindet, und einer hochgeschwenkten inaktiven Stellung, in
der die Nabe des Propellers 5 oberhalb der Kiellinie 3 angeordnet ist, verschwenkt
werden kann. In der hochgeschwenkten Stellung der Wanne 10 kann daher der Propeller
5, wie vorstehend beschrieben, in eine Stellung gebracht und in dieser arretiert
werden, in der kein Teil des Propellers über die Kiellinie 3 hinaus vorsteht.
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Zugang zu dem Maschinenraum in der Wanne 10 kann durch den Schwenkzapfen
11 vorgesehen werden, der die Form von Rohren großer Durchmesser hat. Die erforderlichen
Rohre für die Brennstoffzufuhr, die Ableitung der Auspuffgase usw. können ebenfalls
durch die Schwenkzapfen geführt werden. Der Antriebsmotor 7 kann aber auch fest
im Rumpf des Schiffes 1 montiert sein, und nur die Propellerwelle 6 und der Propeller
5 sind auf- und abschwenkbar befestigt, wobei die Propellerwelle 6 durch eine Kupplung
mit dem Motor 7 verbunden ist.
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An Hand zweier Beispiele, die sich auf existierende Schiffe, nämlich
einen Stückgutfrachter mit 15 000 t Wasserverdrängung und einen Massengutfrachter
mit 140 000 t Wasserverdrängung, beziehen, werden die Vorteile in betriebswirtschaftlicher
Hinsicht bei einer Anwendung der Erfindung veranschaulicht.
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Beispiel 1 Stückgutfrachter von 15 000 t Wasserverdrängung (Winter-Klasse)
Daten des Schiffes: Länge 157,7 m Breite 25,7 m Tiefgang 7,5 m Geschwindigkeit 41,5
km/h (22,4 Knoten) Propellerschub 1,15 MN (117 t) Antriebsdaten: Derzeitiger Extragroßer
Propeller Propeller gemäß der Erfindung Durchmesser (m) 6,5 14,5 Anzahl der Flügel
4 2 Verhältnis der Flügelfläche 0,56 0,20 - 0,30 Propellerdrehzahl (U/min) 114 24
Nachstromfaktor 0,24 0,05 Propellerwirkungsgrad 0,67 0,89
Antriebsdaten
(Fortsetzung): Derzeitiger Extragroßer Propeller Propeller gemäß der Erfindung Saugfaktor
0,20 0,04 Rumpfeffektivität 1,05 1,01 Relative Effektivität 1,01 1,00 Gesamtwirkungsgrad
0,71 0,90 Kraftbedarf (kW) 15 100 11 950 Brennstoffverbrauch (t/a) 20 700 16 400
Wie ersichtlich, kann man durch Anwendung der Erfindung bei dem vorstehend beschriebenen
bekannten Schiff eine Brennstoffersparnis von 4300 t/Jahr erzielen; das entspricht
einer Kostenersparnis von etwa 2,1 Millionen Mark pro Jahr.
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Beispiel 2 Massengutfrachter von 140 000 t Wasserverdrangung mit großem,
langsamlaufendem Propeller (NKK) Daten des Schiffes: Länge 260 m Breite 43 m Tiefgang,
voll beladen 17,2 m Tiefgang, Ballast 10,3 m Geschwindigkeit 27,0 km/h (14,6 Knoten)
Propellerschub 2,0 MN (204 t) Antrieb sdaten: Derzeitiger Extragroßer Propeller
Propeller gemäß der Erfindung Durchmesser (m) 9,0 23,0 Anzahl der Propellerflügel
4 2 Verhältnis der Propellerflügel 0,36 0,10-0,20 Propellerdrehzahl (U/min) 64 18
Antriebsdaten
(Fortsetzung): Derzeitiger Extragroßer Propeller Propeller gemäß der Erfindung Nachstromfaktor
0,36 0,09 Propellerwirkungsgrad 0,59 0,85 Saugfaktor 0,18 0,045 Rumpfeffektivität
1,28 1,05 Relative Effektivität 1,0 1,0 Gesamtwirkungsgrad 0,76 0,89 Kraftbedarf
(kW) 12 290 10 450 Brennstoffverbrauch (t/a) 16 800 14 300 Durch Anwendung der Erfindung
bei diesem Schiff wird eine Brennstoffersparnis von etwa 2500 t/Jahr erzielt; das
entspricht einer Kostenersparnis von etwa 1,25 Millionen Mark pro Jahr.
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Aus den beiden vorstehend beschriebenen Beispielen ist ersichtlich,
daß mit Hilfe der Erfindung der Wirkungsgrad in der Größenordnung von 15 bis 20%
verbessert werden kann, indem ein Propeller verwendet wird, dessen Durchmesser 2
bis 2,5 mal größer als derjenige bisher verwendeter Propeller ist. Wirtschaftlich
bedeutet dies eine Kostenersparnis von 1,3 bis 2 Millionen Mark pro Jahr.
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Vorstehend ist die Erfindung am Beispiel eines Schiffes mit nur einem
am Heck angeordneten Propeller beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, daß
die Erfindung auch bei Schiffen mit mehreren Propellern, beispielsweise zwei nebeneinander
angeordneten Propellern oder zwei koaxial angeordneten, gegenläufigen Propellern,
angewendet werden kann.
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