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Schiffsantriebseinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Schiffsantriebseinrichtung mit wenigstens
einer über Schaltkupplungen und ein Untersetzungsgetriebe auf eine Propellerwelle
arbeitenden Hauptantriebsmaschine und mindestens einer über ein Abzweiggetriebe
von der bzw. den Hauptmaschinen antreibbaren Hilfsmaschine mit konstant zu haltender
Drehzahl.
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Bei Seeschiffen mit größerem Strombedarf ist es bekannt, die Hauptantriebsmaschinen
für die Summe der Propeller- und Hilfsmaschinenleistungen auszulegen. Beispielsweise
zur Stromerzeugung dienen Generatoren, die von den Hauptmaschinen durch Nebenabtriebe,
entweder in Verbindung mit Untersetzungsgetrieben für die Propeller oder separat
mit an der Frontseite der Motoren angebrachten Übersetzungsgetrieben angetrieben
werden. So kann bei Antriebsanlagen mit mittelschnell laufenden Dieselmotoren unter
Benutzung von Verstellpropellern nach dem Wellengeneratorprinzip mit einer konstanten
Motordrehzahl gefahren werden, um die elektrische Frequenz konstant zu halten.
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Eine Anpassung des Leistungsbedarfs der gesamten Propulsionsanlage
an unterschiedliche Reisegeschwindigkeiten und Eintauchtiefen der Schiffe wird durch
Variieren der Propellersteigung erreicht, wobei der Propeller selbst hinsichtlich
Ausführung und Wirkungsgrad innerhalb seiner Geschwindigkeits-Kurvendaten nur für
eine bestimmte Geschwindigkeit optimal ausgelegt werden kann.
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Der Betrieb einer Hilfsmaschine mit konstanter Drehzahl, beispielsweise
eines elektrischen Generators zur elektrischen Energieversorgung des Schiffes erfordert
es, daß bei einer vom Auslegungspunkt abweichenden Fahrgeschwindigkeit des Schiffes
mehr Leistung von der Hauptmaschine abgenommen werden muß als dies der Fall wäre,
wenn diese mit ihrer Drehzahl an die Schiffsgeschwindigkeitskurve angepaßt werden
könnte, wie das im sogenannten Kombinatorbetrieb der Fall ist. m die damit verbundenen,
zum großen Teil erheblichen Leistungsverluste zu verringern, wurden verschiedene
Systeme entwickelt, die den Wellengeneratorbetrieb auch bei veränderlichen Drehzahlen
der Hauptantriebsmaschinen zulassen. Hierzu gehören beispielsweise die Thyristor-Steuerungen
sowie die Konstant-Drehzahl- oder die Konstant-Frequenz-Getriebe. Alle Systeme haben
jedoch den Nachteil, daß der Gesamtwirkungsgrad erheblich reduziert und der Verwendungsbereich,
bezogen auf die Drehzahl der Hauptantriebsmaschine, zwischen ca. 70-110S eingeschränkt
wird.
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Ferner erfordern die genannten Systeme komplizierte Anlagenkonstruktionen
mit umfangreichen, kostenintensiven Nebenaggregaten und Überwachungsgeräten mit
entsprechend großen Einbauräumen an Bord. Die Wirtschaftlichkeit der gesamten Antriebsanlage
wird nachteilig beeinflußt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine eingangs genannte
Schiffsantriebseinrichtung so auszubilden, daß der Leistungsbedarf für den Propeller
und die Hilfsmaschinen unter Berücksichtigung der jeweils günstigsten Schiffsgeschwindigkeit
stets durch eine oder beide Hauptantriebsmaschinen gedeckt ist. Eine solche Einrichtung
soll gleichzeitig einen einfachen Aufbau zeigen und sich durch einen geringen Raumanspruch
auszeichnen. Als Lösung wird vorgeschlagen, daß für die Leistungsübertragung auf
die Propellerwelle für die Hauptantriebsmaschine mindestens zwei Getriebeschaltstufen
vorgesehen und die Antriebswelle der Hilfsmaschine über Kupplungen mit der Hauptantriebsmaschine
verbindbar ist. Bei einer Anlage mit zwei oder mehr Hauptantriebsmaschinen ist vorgesehen,
daß wenigstens für eine der Hauptantriebsmaschinen mindestens zwei Getriebeschaltstufen
vorhanden sind und die Hilfsmaschinenwelle bzw. -wellen über Kupplungen mit einer
oder beiden Hauptmaschinen verbindbar sind. In diesem Fall ist mindestens eine Hilfsmaschinenwelle
vorzugsweise über eine Doppelkupplung für zwei Schaltstufen den Hauptantrieben zuschaltbar.
Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß die erforderliche Leistung für den
Vortrieb und zur Erzeugung der elektrischen Energie beispielsweise von zwei langsam
laufenden Zweitakt-Hauptmotoren gleicher Baureihe, jedoch unterschiedlicher Zylinderzahl
erzeugt wird. Die Wellengeneratoren als Hilfsmaschinen können so dimensioniert sein,
daß jeder den maximalen Strombedarf, beispielsweise 2500 kW abdecken kann.
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Weitere, den Erfindungsgegenstand vorteilhaft ausgestaltende Merkmale
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch die unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse der Schaltgetriebekombination
wird ermöglicht, daß eine Hilfsmaschine ungeachtet der Propellerwellendrehzahl bei
konstanter Drehzahl betrieben werden kann. Durch geschickte bzw. optimale Abstimmung
aller Teile der erfindungsgemäß gestalteten
Antriebseinrichtung
unter Ausnutzung aller Kriterien eines Parameters aus Hauptmaschinenleistungen,
Nebenantriebsübersetzungen, Propellerdrehzahlen, Propellersteigungen sowie Schiffsgeschwindigkeiten,
läßt sich in ökonomischer Weise ein großer Fahrgeschwindigkeitsbereich gleichzeitig
mit dem nötigen Strombedarf abdecken, da Anpassungsprobleme der Hauptmaschinendrehzahlen
bei unterschiedlichen Schiffsgeschwindigkeiten vermieden werden.
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Auch sehr niedrige Schiffsgeschwindigkeiten lassen sich wirtschaftlich
fahren. In solchen Fällen wird eine Hauptantriebsmaschine auf die Propellerwellenanlage,
d. h. für den Vortrieb geschaltet, während die zweite Hauptantriebsmaschine ausschließlich
zum Antrieb der Hilfsmaschinen, beispielsweise der Wellengeneratoren benutzt wird.Der
Vorteil bei dieser Schaltung ist, daß die Vortriebsanlage mit der optimalen Drehzahl,
beispielsweise eines mittelschnell laufenden ersten Hauptmotors gefahren werden
kann und außerdem die maximal an Bord benötigte elektrische Energie noch wirtschaftlich
mit einem brennstoffsparenden, langsamlaufenden zweiten Hauptmotor (Zweitaktmotor)
erzeugt wird.
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Mit abnehmender Drehzahl nimmt bei Dieselmotoren entsprechend ihrer
Charakteristik auch die Leistung ab, weshalb beim Fahren mit einer niedrigen Drehzahl
auch nicht mehr die maximal installierte Leistung genutzt werden kann. Durch Einlegen
der entsprechenden Schaltstufe im Getriebe wird aber sichergestellt, daß mit der
Maschinenanlage auch in niedrigen Propellerdrehzahlbereichen die Drehzahl der Hilfsmaschine
bzw.
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Hilfsmaschinen konstant gehalten werden kann. Durch diese Maßnahme
kann die Kennlinie des größeren Hauptmotors innerhalb des Propellerkennfeldes so
verschoben werden, daß mit dem betreffenden Wellengenerator als Hilfsmaschine zusätzliche
Betriebspunkte wirtschaftlich gefahren werden können Insgesamt ist mit der erfindungsgemäß
gestalteten Einrichtung ein raumsparendes Kombinationsgetriebe für die wahlweise
Über- und
Untersetzung der Hauptmaschinendrehzahlen gegeben, wodurch
in Verbindung mit unterschiedlichen Hauptmaschinenleistungen das ökonomische Fahren
verschiedener Geschwindigkeiten bei konstanter Hilfsmaschinendrehzahl ermöglicht
wird.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt und nachstehend erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 die Draufsicht auf ein Getriebe für eine Doppelmotoren-Antriebsanlage
mit Motoren unterschiedlicher Nennleistung für ein seegehendes Schiff größerer Leistung
mit Elementen zur Leistungsabzweigung für einen elektrischen Generator; Fig. 1a
die Draufsicht auf ein Getriebe für eine Einmotorenanlage mit Elementen zur Leistungsabzweigung
für einen elektrischen Generator; Fig. Propellerfeldkennlinien innerhalb des Fahrbereichs
2a-2h mit dem Antriebsmotor größerer Nennleistung (Pos.I); Fig. die Kraftverläufe
zwischen dem Antriebsmotor größerer 3a-3d Nennleistung und dem Propeller sowie Generator;
Fig. 4 eine tabellarische Übersicht über die Fahrmöglichkeiten mit dem Antriebsmotor
größerer Nennleistung für unterschiedliche Leistungseingaben und unter Berücksichtigung
der Schaltstufen (SI und SII) und des Generatorbetriebes; Fig. die Propellerfeldkennlinien
beim Betrieb allein mit 5a-5e dem Antriebsmotor kleiner Nennleistung (Pos. II);
Fig.
die Kraftverläufe zwischen dem Antriebsmotor kleine-6a-6d rer rer Nennleistung und
dem Propeller und/oder Generator; Fig. 7 eine tabellarische Übersicht über die Fahrmöglichkeiten
mit dem Antriebsmotor kleinerer Nennleistung für unterschiedliche Leistungseingaben
und unter Berücksichtigung des Generatorbetriebes; Fig. die Propellerfeldkennlinien
beim Betrieb mit beiden 8a-8i Antriebsmotoren und zu-bzw. abgeschaltetem Generator
unter Berücksichtiyung beider Schaltstufen des größeren Antriebsmotors (Pos. III);
Fig. die Kraftverläufe beim Fahren mit beiden Antriebsmotoren toren unter Berücksichtigung
des Generatorbetriebes und Fig. 10 eine tabellarische Übersicht über Fahrmöglichkeiten
beim Betrieb mit beiden Antriebsmotoren für einige unterschiedliche Leistungseingaben
und unter Berücksichtigung des Generatorbetriebes.
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Bei dem gezeigten Beispiel gemäß Figur 1 kann die Leistung zweier
nicht dargestellter Hauptantriebsmotoren über deren Antriebswellen 1 und 2 auf einen
Verstellpropeller 3 übertragen werden. Über ein Abzweiggetriebe 14 ist ein Teil
der Leistungen der Antriebsmotoren wahlweise auf die Welle 4 eines nicht dargestellten
Generators zur elektrischen Energieerzeugung übertragbar. Weitere Abzweiggetriebe
sind möglich, jedoch der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
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Zur Kraftübertragung von der Antriebswelle 1 in die Propellerwelle
5 sind zwei Schaltstufen SI und SII vorgesehen. Die Schaltkupplung K 1 überträgt
die Kraft auf die Schaltstufe SI mit dem Hohl ritzel 6, welches mit dem Zwischenrad
7 in Eingriff steht und iiberdieZwischenwelle8 die Kraft auf da 7atxnr.ad q tiberträgt.
Dieses
steht im Eingriff mit dem Großrad 10 auf der Propellerwelle 5.
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Zur Einschaltung der Stufe S II wird die Kupplung K2 betätigt, durch
welche die Kraft der Antriebswelle 1 über das ebenfalls hohl ausgebildete Ritzel
11 auf das Zwischenrad 12 und abermals über das Zahnrad 9 auf das Großrad 10 übertragen
werden kann.
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Für die Leistungsübertragung von der Antriebswelle 2 auf die Propellerwelle
ist die Kupplung K3 vorgesehen. Sie leitet die Antriebskraft in das die Antriebswelle
umgebende Hohlritzel 13, das mit dem Großrad 10 auf der Propellerwelle unmittelbar
in Eingriff steht.
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Über das Abzweiggetriebe 14, bestehend aus den Zahnrädern 15 und 16
sowie den Abtriebsritzeln 17 und 18 kann die Hilfsmaschinenwelle 4 beispielsweise
zum Antrieb eines nicht dargestellten Generators zur Stromerzeugung mit der notwendigen
Antriebsleistung beaufschlagt werden.
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Durch die Kupplung K4 kann der Kraftfluß über das fest auf der Antriebswelle
2 sitzende Zahnrad 15 und das Antriebsritzel 17 in die Hilfsmaschinenwelle 4 eingeleitet
werden. In diesem Falle ist die Kupplung 5 ausgeschaltet. Soll jedoch der Kraftfluß
den Weg über das Zahnrad 16 und das Abtriebsritzel 18 nehmen, werden die Schaltkupplungen
4 aus-und die Kupplungen K5 und K3 eingeschaltet, da das Zahnrad 16 von der Nabe
des hohlen Antriebsritzels 13 der Hauptmaschinenwelle 2 getragen wird.
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Der Propellerschub wird durch ein Scheibendrucklager mit der Druckscheibe
19 und den Drucklagersegmenten 20 aufgefangen. Mit 21 ist der Verbindungsflansch
des Getriebegehäuseunterteils bezeichnet.
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In der Fig. 1a für eine Hauptantriebsmaschine sind gleiche Teile mit
gleichen Bezugsziffern versehen. An dem der Hauptmaschine gegenüberliegenden Ende
ist auf der Antriebswelle 1 ein Zahnrad 15a befestigt, welches mit dem Ritzel 17a
des Abzweiggetriebes 14a kämmt und die abgezweigte Leistung auf die Hilfsmaschinenwelle
4a überträgt. Bei dem gezeigten Beispiel kann das Ritzel durch eine Trennkupplung
K6 von der Welle 4a getrennt werden, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist.
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Die Ausbildung der Doppelkupplung K4/K5 als Überholkupplung bietet
beim Wechsel des Antriebs von einer Hauptmaschine zur anderen Vorteile. Genaue,
von Hand durchführbare Schaltvorgänge bei der Synchronisierung der entsprechenden
Getriebeteile erübrigen sich. Dadurch kann ohne jede Schwierigkeit die Generatordrehzahl
konstant gehalten werden.
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An Handderpropellerfeldkennlinien (Figuren 2a-2h; 5a-5e; 8a-8i) können
für verschiedene Leistungsaufnahmen eines Verstellpropellers der wirtschaftlichsten
Maschinenkombinationen mit Leistungsaufteilungen, vorteilhafte Schaltstufen und
Blattsteigungen des Propellers bestimmt werden, so daß die gesamte Anlage energiesparend
gefahren werden kann. Einige wesentliche Beispiele sind in den tabellarischen Übersichten
der Figuren 4, 7 und 10 zusammengestellt.
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