DE3423168A1

DE3423168A1 - Rotorvorrichtung

Info

Publication number: DE3423168A1
Application number: DE19843423168
Authority: DE
Inventors: Lennart H. Fjäras Brandt; Heinz Uppsala Pichl
Original assignee: Volvo Penta AB
Current assignee: Volvo Penta AB
Priority date: 1983-06-22
Filing date: 1984-06-22
Publication date: 1985-01-10
Also published as: US4604032A; GB2142116A; SE8303593D0; AU2937084A; IT1177812B; SE445107B; NL8401972A; FR2549006A1; BR8403057A; SE8303593L; AU575329B2; CA1216477A; FR2549006B1; JPH0718322B2; IT8448427A0; GB8415322D0; JPS6017202A; GB2142116B

Description

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ΙΝΘ. W. LEHN

DIPL.-INe. K. FÜCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. 6DRS

DIPL.-ING. K. KOHLMANN . RECHTSANWALT A. NETTE

40 442 p/st

AB VOLVO PENTA
Göteborg / Schweden

Rotorvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotorvorrichtung mit einer Vielzahl von Blattrotoren, die von einer Welle getragen werden und dazu bestimmt sind, einen Strömungsmittelstrom zu verursachen oder hinsichtlich einer Drehung verursacht durch einen derartigen Strömungsmittelstrom.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Rotorvorriehtungen des vorgenannten Typs, welche beispielsweise in einem Pumpen- oder Turbinensystem eingeschlossen sind, oder aber es handelt sich um eine Schraubeneinheit für Schiffe oder Flugzeuge. Die Erfindung wurde jedoch in erster Linie zur Lösung von bei Schiffsschraubeneinheiten auftretenden Problemen entwickelt.

Ein innenbords-installierter Schiffsantrieb besteht aus einem Motor, einem Reduktionsgetriebe mit Umkehrzahnrad und einer Schraubenwelle mit Schraube. Bei Schiffsdieselmotoren

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der 400 HP-Klasse beträgt die Motordrehzahl üblicherweise ungefähr 2400 bis 2600 Upm. Diese Drehzahlen müssen wesentlich reduziert werden, damit die Schraube wirksam arbeiten kann. Bei Geschwindigkeiten von ungefähr 15 Knoten kann die Drehzahlreduzierung normalerweise 1:2 betragen. Jedoch bei schwereren Schiffen mit langen Betriebsperioden, für die Brennstoffkosten von besonderer Bedeutung sind, kann es wünschenswert sein, eine Drehzahlreduzierung bis zu 1:4 oder 1:5 vorzusehen. Gleichzeitig mit der Reduzierung der Schraubendrehzahl nimmt das Drehmoment, welches über das Umkehrzahnrad und die Schraubenwelle auf die Schraube übertragen werden muß, zu, wodurch gleichzeitig die Dimensionen der Schraube vergrößert werden.

Anhand eines Beispiels kann ausgeführt werden, daß die oben genannten Antriebs- und Drehzahlbereiche einen Wechsel der Reduzierung von 1:2 auf 1:4 erfordern, wodurch der Schraubenwirkungsgrad von kaum 50 % auf 60 % erhöht wird, so daß der Durchmesser der Schraubenwelle um ungefähr 25 % vergrößert und der Schraubendurchmesser um ungefähr 60 % vergrößert wird. So werden Gewinne hinsichtlich eines erhöhten Schraubenwirkungsgrades mit begleitenden, reduzierenden Brennstoffkosten teilweise wieder durch höhere Kosten des Wendegetriebes, der Welle und der Schraube herabgesetzt. Die Gesamtkosten für die letztgenannten Komponenten sind sehr hoch, und zwar bis zur Hälfte der Kosten für den gesamten Motor. Ein weiteres Problem besteht darin, daß große Schraubendurchmesser Raumprobleme schaffen, die es praktisch unmöglich machen, eine Reduzierung von 1:4 oder mehr zu verwenden, und zwar bei sogenannten Innenbord-Außenbord-Antrieben. Eine bekannte Lösung des Problems zur Erzielung eines größeren Schraubenwirkungsgrades bei gleichbleibendem Schraubendurchmesser eines derartigen Innenbord-Außenbord-

Antriebes der genannten Energieklasse besteht in der Anordnung von zwei gegenseitig drehenden Schrauben, die durch konzentrische Wellen angetrieben sind. Die Kosten für solch eine Installation sind jedoch hoch, wenn lange Hohlwellen erforderlich sind.

Der Zweck der Erfindung besteht darin., eine Rotorvorrichtung des beschriebenen Typs, insbesondere einer Schiffsschraube, zu erzielen, die mit viel geringeren Kosten als die bisher bekannten Vorrichtungen dieses Typs hergestellt werden können, und zwar ohne Herabsetzung des Wirkungsgrades.

Dies wird entsprechend der Erfindung dank der Tatsache erzielt, daß die Welle antriebsmäßig mit dem Sonnenrad eines Planetenradgetriebes verbunden ist, daß N-Rotoren antriebsmäßig mit einem Zahnradring verbunden sind, welcher mit den Planetenrädern des Planetenradsystems kämmt, und zwar für eine Drehung entgegengesetzt der Drehrichtung der Welle, und daß N+1-Rotoren antriebsmäßig mit dem Planetenradträger des Planetenradsystems verbunden sind, und zwar für eine Drehung in Drehrichtung der Welle.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, daß die Reduzierung der Motordrehzahl nicht vor dem Rotor erfolgen muß, d.h. im Wendegetriebe, sondern in der Nabe der Rotorvorrichtung, wodurch es möglich ist, die Dimension sowohl des Wendegetriebes, als auch der Welle wesentlich kleiner zu gestalten, so daß diese Teile auch wesentlich preiswerter herzustellen sind als bisher. Auf dieser Basis wurde eine Rotorvorrichtung entwickelt, die aufgrund des vorgenannten Verhältnisses zwischen der Anzahl der sich mit und. gegen die Drehrichtung der Welle drehenden Rotoren aufgrund der Tatsache selbstausgleichend sein 5 kann, daß einer der sich mit der Welle drehenden Rotoren

das Drehmoment der Welle ausgleicht, während die restlichen paarweise,gegenseitig drehenden Rotoren einander gegenseitig ausgleichen.

Eine Schiffsschraube mit drei Schrauben, welche entsprechend dem Prinzip der Erfindung optimal ausgelegt ist, wird einen Schraubendurchmesser haben, der nahzu 2/3 des Durchmessers einer optimal ausgelegten Einzelschraube für ein Reduktionsverhältnis von 1:4 oder 1:5

1.0 hat. Die Gesamtkosten des Wendegetriebes, der Welle und der Schraubenanordnung wird nahezu die Hälfte der Kosten der entsprechenden Einzelschraubenanordnung betragen, während der Wirkungsgrad für beide Anordnungen derselbe ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Rotorvorrichtung gemäß der Erfindung bei einer allgemeinen Ausführungsform,

Fig. 2 schematisch eine Schiffsschraubenvorrichtung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine teilweise weggeschnitten dargestellte,

perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer SchiffsSchraubenvorrichtung und

Fig. 5, schematische, perspektivische Ansichten mit der 5 6 und 7 Darstellung weiterer Anwendungen der Rotorvorrichtung gemäß der Erfindung.

Die schematisch in Fig. 1 dargestellte Rotorvorrichtung kann beispielsweise eine Pumpe, ein Kompressor, ein Gebläse oder eine Turbine sein. Als Welle 1, die in Abhängigkeit von der Anwendung einer Eingangs- oder Ausgangswelle ist, trägt ein Zahnrad 2, welches ein Sonnenrad eines Planetensystems ist und kämmt mit Planetenrädern 3, die sich auf einem Planetenradträger 4 befinden. Ein Innenzahnradring 5 auf einer zylindrischen Nabe 6 steht mit den Planetenrädern 3 in Verbindung. Die Nabe 6

1.0 trägt zwei Sätze von Rotorblättern 7 und bildet so zusammen mit den Blättern 7 zwei Rotoren 8, welche fest miteinander verbunden sind und die sich entgegengesetzt der Drehrichtung der Welle drehen. Der Planetenradträger 4 ist mit drei Sätzen von entsprechenden Rotorblättern 9

1.5 verbunden, von denen zwei äußere Sätze sowohl mit dem Planetenradträger und mit einem umgebenden, zylindrischen Element 10 verbunden sind, während der Zwischensatz der Blätter 9 nur am Zylinder 10 befestigt ist und so drei Rotoren 11 bildet, die fest miteinander verbunden sind und sich in der Drehrichtung der Welle drehen.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß für einen bestimmten Maximaldurchmesser der beste Wirkungsgrad erzielt wird, wenn die Rotoren der Rotorvorrichtung nahezu dieselbe Drehgeschwindigkeit und Durchmesser haben und nahezu dasselbe Drehmoment bremsen. Bestimmte Mindestabweichungen von diesen Gleichwerten können aufgrund der Tatsache erforderlich sein, daß die Rotoren im umgebenden Medium sowohl axial, als auch in Drehrichtung Geschwindigkeiten induzieren, was nach einer Einstellung des Durchmessers und der Steigung verlangt (siehe Fig. 2). Das Erfordernis gemäß der Erfindung besteht darin, daß, wenn die Anzahl der Rotoren, die sich entgegengesetzt der Wellendrehung dreht, N ist, die Anzahl der Rotoren, die sich in Richtung der Welle drehen, N+1

sein sollten, um einen Drehmomentenausgleich zu erzielen, wenn sich die Rotoren mit derselben Drehzahl drehen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist N=2 und die folgenden Verhältnisse finden Anwendung: 5

Welle 1 Drehmoment + Q

Bremsmoment der mit der Welle
drehenden Rotoren -3Q

Bremsmoment der Rotoren, die
sich entgegen der Welle drehen +2Q

gesamt 0

Es besteht somit ein Drehmomentenausgleich, wenn das Drehmoment für einen Rotor dem Eingangsdrehmoment entspricht. Dies bedeutet, daß die Nabenreduktion, die in das System eingebaut ist, das Drehmoment um das 5-fache erhöhen muß und das Drehmoment gleichförmig über die fünf Rotoren verteilen muß. Dies bedeutet ebenso, daß ohne Energieverluste die Energie unverändert ist und die Drehzahl auf 1/5 der Wellendrehzahl reduziert worden ist. Im allgemeinen bedeutet dies, daß die Reduktion 1:1+2N sein muß, was bedeutet, daß die Basisreduktion im Planetensystem, welches das Verhältnis zwischen den Zahnraddurchmessern des Zahnradringes 5 ist, welcher die entgegengesetzt drehenden Rotoren antreibt, und dem Sonnenrad 2, beim in Fig. 1 dargestellten Beispiel 2:1 sein sollte. Dies bedeutet allgemein, daß die Basisreduktion N:1; sein, sollte.

Fig. 2 und 3 zeigen eine zusätzliche Ausführungsform zur Darstellung der oben genannten Verhältnisse. Die Figuren zeigen schematisch eine Schiffsschraubenanordnung mit drei Schrauben 20, 21. (d.h. N=D . Die vordere und hintere Schraube 21. werden, in Richtung der Welle 1 angetrieben, 5 während die dazwischenliegende Schraube 20 sich entgegen

der Welle dreht. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 können die vordere und die zwischenliegende Schraube als ein Paar von sich gegenseitig drehenden Schrauben angesehen werden/ von denen jede das Drehmoment der anderen ausgleicht, während das Drehmoment der hinteren Schraube das Drehmoment der Welle ausgleicht. Die Durchmesser der Schrauben werden hier hinsichtlich der Kontraktion des Schraubenstromes eingestellt.

Da N in diesem Beispiel 1 ist, ist die Basisreduktion 1:1, wodurch es gemäß Fig. 3 möglich ist, das Planetensystem als einfaches Differential auszuführen. Die Welle trägt ein Sonnenrad 2 mit einem konischen Zahnradring und ein Zahnrad 23 mit einem entsprechenden konischen Zahnradring, welches Zahnrad auf der Nabe 24 der zwischenliegenden Schraube 20 angeordnet ist. Die Nabe 25 der vorderen Schraube 21 bildet den Träger für die konischen Planetenräder 26 und ist über eine Hülse 28 fest mit der Nabe 27 der hinteren Schraube verbunden. Hier wird die Schraubendrehzahl auf 1/3 der Wellendrehzahl reduziert.

Durch Untersetzen der Motordrehzahl in der Schraubennabe kann das Umkehrzahnrad des Motors ebenso als einfaches Differentialzahnrad (nicht dargestellt) ausgeführt werden, und zwar mit einer Basisreduktion von 1:1. Für den Vorwärtsantrieb ist das Getriebe zusammen als Einheit beispielsweise durch eine Kupplung verriegelt, welche mit der Eingangswelle des Planetenradträgers verbunden ist. Für den Umkehrvorgang wird der Planetenradträger beispielsweise mit dem Motorschwungradgehäuse verriegelt und die Ausgangswelle dreht sich entgegen der Eingangswelle. Das Übersetzungsverhältnis sowohl für den Vorwärtsbetrieb, als auch für den Rückwärtsbetrieb ist 1:1. Der Vorwärtsantrieb erzeugt keine Verluste, mit Ausnahme solcher, die durch irgendeine ölzirkulation im Getriebegehäuse verur-

sacht werden. Das Differential des Umkehrzahnrades kann im Prinzip dieselben Dimensionen haben und das Zahnrad des zuvor beschriebenen Differentials kann zur Reduzierung da: Kosten in der Schraubennabe ausgebildet sein. 5

Fig. 4 zeigt eine Schraubenvorrichung der Fig. 2 und 3 im Zusammenhang mit einem praktischen Ausführungsbeispiel, bei dem die Einzelheiten für die tatsächliche Erfindung irrelevant sind, wie bestimmte Lager, Abdichtungen und dergleichen, die deswegen auch weggelassen worden sind. Teile, die mit denen der Fig. 2 und 3 identisch sind, tragen in Fig. 4 dieselben Bezugszeichen.

Die Welle T ist drehfest über Vielkeile 28 mit dem Sonnenrad 22 verbunden. Die Planetenräder 26 sind auf Spindeln 29 befestigt, welche in einer Hülse 30 fest angebracht sind, mit der die Nabe 25 der Vorwärtsschraube über Vielkeile 31 drehfest verbunden sind. Die inneren Enden der radialen Spindeln 29 sind in einer Hülse 32 befestigt, in deren hinteres Ende eine Welle 33 gepreßt ist, die über Vielkeile 34, eine Hülse 35 und weitere Vielkeile 36 mit der Nabe 27 der hinteren Schraube 21 verbunden ist. Das vordere Ende der Welle 33 ist in einem Nadellager 37 am hinteren Ende der Schraubenwelle 1 gelagert. So wirken die Hülsen 30 und 3 2 als Planetenradträger, welche drehfest mit den Schrauben 21 verbunden s ind.

Die Nabe 24 der mittleren Schraube 21 ist über Vielkeile 38 mit einem Hülsenelement 39 verbunden, welches seinerseits über Vielkeile 40 mit einem zusätzlichen Hülsenelement 41 verbunden ist. Dieses letztgenannte Hülsenelement 41; ist relativ zu den Hülsen 30, 32, die als Planetenradträger wirken, drehbar befestigt. Das Hülsenelement 4T weist Zähne 23 auf, die mit den Planetenrädern

26 kämmen und so identisch mit dem Sonnenrad 22 sind.

Die Zahnräder 22, 26, 23 des Planetensystems oder des Differentials drehen sich in einem Ölbad. Daher ist das Nabensystem entgegen dem umgebenden Wasser mittels Dichtungen abgedichtet, die jedoch hier im einzelnen nicht dargestellt sind. Um sicherzustellen, daß kein Wasser eindringen kann, steht das Öl mittels eines · Druckakkumulators 43 unter Druck, welcher Druckakkumulator

1.0 eine federbelastete Membran oder Balgelemente (nicht dargestellt) enthält, die mit einem Stift 44 verbunden sind, welcher sich durch das Akkumulatorgehäuse erstreckt. Je weiter der Stift sich erstreckt, umso höher ist der Druck. So wirkt der Stift als Druckindikator, welcher eine direkte visuelle Prüfung dahingehend schafft, ob der empfohlene Druck noch aufrechterhalten ist.

Weitere Anwendungen des Prinzips der Erfindung sind in Fig. 5 bis 7 dargestellt. Fig. 5 zeigt eine Schraubenvorrichtung für Flugzeuge mit gegensinnig drehenden Luftschrauben 50 und zwei mit der Propellerwelle drehenden Luftschrauben 51. Fig. 6 zeigt einen Hubschrauber mit einem gegensinnig drehenden Rotor 6 und zwei mit der Welle drehende Rotoren.

Diese Ausführungsformen haben eine antreibende Kraftwelle, jedoch ist die Erfindung nicht unbedingt darauf eingeschränkt, sondern umfaßt auch Rotorvorrichtungen mit einer angetriebenen Kraftwelle. Ein Beispiel des letztgenannten Typs ist in Fig. 7 dargestellt, und zwar in Form einer Wasserturbine mit einem gegensinnig drehenden Rotor 70 und zwei mit der Welle drehende Rotoren Dank der Tatsache, daß der Rotordurchmesser wesentlich reduziert werden kann, und zwar bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform im Vergleich mit einer Einzelrotor-

anordnung, kann ebenso der Leitungsbereich reduziert werden, um die entstehenden Kosten noch weiter zu reduzieren.

Claims

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENT-UND RECHTSANWÄLTE

PATENTANWÄLTE OIPL.-ING. W. EITLE ■ DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-INQ. W. LEHN

DIPU-ING. K. TOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-IWGVK.npQR« £ Q DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE O I Δ O I O

40 442 p/st

AB VOLVO PENTA
Göteborg / Schweden

Rotorvorrichtung

Patentansprüche %

Rotoryorrichtung mit einer Vielzahl von Blattrotoren, die von einer Welle getragen werden und dazu bestimmt sind, einen Strömungsmittelstrom zu verursachen oder hinsichtlich einer Drehung verursacht durch einen derartigen Stromungsmittelstrom, dadurch gekennzeichnet , daß die Welle (1) antriebsmäßig mit dem Sonnenrad (2; 22) eines Planetenradsystems verbunden ist, daß N-Rotoren (8; 20) antriebsmäßig mit einem Zahnradring (5; 23) verbunden sind, welcher mit den Planetenrädern (3; 26) des Planetenradsystems für eine Drehung entgegengesetzt der Drehrichtung der Welle kämmt, und daß N+1.-Rotoren (11; 21) antriebsmäßig mit dem Planetenradträger (4; 28; 30; 32) des Planetenradsystems für eine Drehung in Drehrichtung

\5 der Welle verbunden, sind.
2. Rotorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen den Rolldurchmessern für den Zahnradring (5; 23) und das Sonnenrad (2; 22) nahezu N:1 ist.
3. Rotorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet / daß die Rotoren (8, 11; 20, 21) so angeordnet sind, daß benachbarte Rotoren sich gegenseitig drehen.

10
4. Rotorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Blattbereiche und die Blattwinkel der Rotoren (8, 11; 20, 21) so ausgewählt sind, daß alle Rotoren nahezu denselben Drehmomentenbetrag absorbieren.

>>
5. Rotorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, fr dadurch gekennzeichnet , daß die

*~ Durchmesser der einzelnen Rotoren (8, 11; 20, 21)

auf die Kontraktion des Schraubenstromes (a) der Rotorvorrichtung eingestellt sind.
6. Rotorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Rotoren Schrauben oder Propeller (20, 21) einer Schrauben- bzw. Propellereinheit sind.
7. Rotorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß drei Schrauben oder Propeller vorgesehen, sind.
8. Rotorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch. g e kenn, ze ichnet , daß das Planetenradsystem ein Differentialgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von. 1.: 1 ist.
9. Rotorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Planetenräder in Radialspindeln befestigt sind, die in Hülsen befestigt sind, welche mit den vorderen und hinteren Schraubennaben verbunden sind, und daß die Nabe der mittleren Schraube mit einer zweiten Hülse verbunden ist, welche einen mit den Planetenrädern kämmenden Zahnradring aufweist.
10. Rotorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Planetenradsystem in einem ölgefüllten Gehäuse angeordnet ist, in dem das öl unter Druck steht.