DE3937327A1 - Schiffsantriebseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schiffsantriebsein­ richtung, insbesondere auf die Anordnung zweier Propel­ ler, um das Antriebsverhalten des Schiffes zu verbes­ sern.

Zur Verbesserung des Antriebsverhaltens ist es üblich, zwei Propeller an einem Schiff anzubringen. Wenn das Schiff mit zwei Propellern ausgerüstet ist, halbiert sich die Belastung pro Propeller, so daß der Betriebs­ wirkungsgrad der Propeller verbessert wird. Bei einem derartigen Doppelpropellerantrieb ist es wichtig, daß die Antriebseinrichtung nicht den Widerstand des Schiffs­ körpers (Rumpfes) erhöht und dessen Wirkungsgrad ver­ ringert. Um dies zu erreichen, gibt es beispielsweise das gegenläufige Propellersystem und das Überlappungs­ propellersystem.

Bei einem Überlappungspropellersystem sind zwei Propel­ ler so angeordnet, daß sie sich überlappen, indem sie relativ zueinander von vorn nach hinten verschoben wer­ den und ihr Achsabstand verringert wird. Da im allge­ meinen die Achsen der Propeller außerhalb der Mittel­ linie des Schiffskörpers angeordnet sind, dort wo das Kielwasservolumen geringer ist, nimmt der Schiffskörper­ wirkungsgrad auf einen Wert ab, der kleiner als bei einem Schiff mit nur einem Propeller ist, dessen Dreh­ achse genau mit der Mittellinie des Schiffskörpers zusam­ menfällt. Da ferner das Heckspant näher zum Bug des Schiffes als bei einem Einschraubenschiff angeordnet sein muß, wird der Schiffskörper füllig, was die ver­ schiedensten Probleme zur Folge haben kann, z. B. eine Zunahme des Schiffskörperwiderstands, eine Zunahme der Schwingung des hinteren Propellers aufgrund der durch den vorderen Propeller bewirkten rotierenden Strömung oder eine Verringerung des Propellerwirkungsgrads. Eine zur Lösung dieser Probleme angewandte frühere Anordnung besteht im wesentlichen aus verzahnten oder ineinander­ greifenden Propellern, nachstehend auch "Eingriffspropel­ lersystem" genannt, als einer anderen Art von Überlap­ pungspropellersystem, und Beispiele hierfür sind in den japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschriften 58-1 49 291 (1983) und 60-1 03 095 (1985) vorgeschlagen worden. Bei dem vorgeschlagenen Eingriffspropellersystem können zwei Propeller in der gleichen Ebene rotieren.

Die in diesen Offenlegungsschriften angegebenen Systeme sind jedoch auf die Anwendung bei Propellern mit einer geringen Anzahl von Flügeln oder schmaleren Oberfläche beschränkt, oder der Abstand zwischen den beiden Propel­ lerwellen muß zur Vermeidung dieser einschränkenden Faktoren vergrößert werden, so daß der Schiffskörperwir­ kungsgrad verringert wird. Ferner ergibt sich eine erheb­ liche Verschlechterung des Schiffskörperwirkungsgrads bei der Anwendung der Eingriffspropellersysteme, die in diesen Gebrauchsmuster-Veröffentlichungen vorge­ schlagen werden, aufgrund einer mangelnden Beachtung des Einflusses des Schiffskörper-Bilgenwirbels auf den Wirkungsgrad des Schiffskörpers.

Wie Fig. 4 zeigt, werden Wirbel V 1 und V 2, die sogenann­ ten Bilgenwirbel, die in der in die rotierenden Propel­ ler an einem herkömmlichen Heck strömenden Strömung vorhanden sind, symmetrisch erzeugt, jeweils einer auf der Backbord- und der Steuerbordseite des Schiffskör­ per-Bilgenquerschnitts. Die beiden Bilgenwirbel V 1 und V 2 sind jeweils von einer Strömung begleitet, die Längs der Peripherie der Propeller nach innen zur Mittellinie des Schiffskörpers hin rotiert. Infolgedessen ändert sich der Schiffskörperwirkungsgrad erheblich, wenn er dem Einfluß der Schiffskörper-Bilgenwirbel ausgesetzt ist, in Abhängigkeit von der Relation zur Propellerlage oder der Drehrichtung.

Ferner gibt es ein weiteres Verfahren, das auf die Ver­ besserung des Antriebswirkungsgrads durch Ausnutzung der Schiffskörper-Bilgenwirbel gerichtet und in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 63-34 294 (1988) beschrieben ist. Hierbei wird die Drehachse eines einzigen Propellers außerhalb der Mittellinie des Schiffskörpers angeordnet. Bei dieser Konstruktion gehen die Vorteile des verriegelten Doppelpropellersystems verloren (bei dem die Belastung der Propeller verringert und der Antriebswirkungsgrad verbessert wird), und da hier nur ein Propeller mit einem Einseiten-Bilgenwirbel verwendet wird, kann durch dieses Verfahren keine wesent­ liche Verbesserung des Schiffskörperwirkungsgrads er­ reicht und damit auch nicht der Gesamtantriebswirkungs­ grad verbessert werden. Ferner hat die exzentrische Anordnung der Welle bestimmte Nachteile für die Schiffs­ körper-Konstruktion und die zugehörige Entwicklungs­ arbeit. Ferner kann die exzentrische Anordnung die Fähig­ keit des Schiffs, den Kurs beizubehalten, sowie die Manövrierfähigkeit des fahrenden Schiffs beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt primär die Aufgabe zugrunde, den Antriebswirkungsgrad (Propulsionswirkungsgrad) durch wirksame Ausnutzung der Vorteile des Eingriffs-Dop­ pelpropellersystems und der beiden Bilgenwirbel, die sich beiderseits des Schiffskörpers bilden, zu verbes­ sern, um den Schiffskörperwirkungsgrad zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält die erfindungsgemäße Schiffsantriebseinrichtung zwei ineinandergreifende Propeller, die in gleicher Höhe und in der gleichen Drehebene angeordnet sind. Ferner ist der Mittelpunkt jeder Propellerwelle nahe beim Mittelpunkt eines der Schiffskörper-Bilgenwirbel angeordnet, die längs der Backbord- und Steuerbordseite erzeugt werden, und jeder Propeller kann in Auswärtsrichtung rotieren. Die Flügel beider Propeller sind gegenüber denen des anderen Propel­ lers um etwa 360° pro 2Z versetzt, wobei Z die Anzahl der Flügel ist, und die Neigung der Flügel des einen Propellers ist entgegengesetzt zu der des anderen.

Bei dieser Ausbildung greifen zwei Propeller ineinander, die die Schiffskörper-Bilgenwirbel ausnutzen, die längs der Steuerbord- und Backbordseite erzeugt werden. Ferner wird auch der Abstand zwischen der Steuerbord- und Back­ bord-Propellerwelle verringert, wobei gegenseitige Stö­ rungen der Propeller vermieden werden, und die relative axiale Lage der Propeller einerseits und des Heckspants andererseits äquivalent zu der eines Einschraubenschiffs gestaltet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbei­ spiele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Rück- und Seitenansichten des Bugs eines Schiffs, bei dem die Propeller erfindungsgemäß angeordnet sind,

Fig. 3 (a)-(d) ähnliche Ansichten wie die nach Fig. 2, jedoch von weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Strömungsver­ teilung und Propelleranordnung,

Fig. 5 ein Diagramm der Abhängigkeit des Verhältnisses der Antriebsleistung nach der Erfindung zur An­ triebsleistung eines herkömmlichen Einschrauben­ schiffs vom Verhältnis des Abstands der Propeller­ wellen zum Propellerdurchmesser und

Fig. 6 ein Diagramm eines Vergleichs erfindungsgemäßer Leistungskurven mit denen eines Einschrauben­ schiffs.

Nach den Fig. 1 und 2 sind zwei gleiche Propeller 1 und 2 jeweils auf der Steuerbord- und Backbordseite symmetrisch zur Mittellinie C des Schiffskörpers ange­ ordnet, so daß ihre Wellen 1 B und 2 B parallel zueinander und längs der Backbord- bzw. Steuerbordseite verlaufen. Wie Fig. 1 zeigt, sind die beiden Propeller 1 und 2 in gleicher Höhe einander überlappend angeordnet, so daß ihre Flügel ineinandergreifen. Damit die Propeller sich nicht gegenseitig stören oder berühren, sind die Flügel der Propeller 1 und 2 jeweils in Drehrichtung gegenüber denen des anderen Propellers etwa um 360° pro 2Z versetzt angeordnet, wobei Z die Anzahl der Flü­ gel ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, während die Neigungen der Flügel jedes Propellers von der des anderen Propellers abweichend gerichtet sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die gestrichelten Linien in Fig. 1 stellen das äußere Profil des Schiffskörpers am Heck dar. Diese Schiffskörperform nach Fig. 1 ist symmetrisch zur Mittellinie C, wobei sich der Schiffskörper zum Heck hin verjüngt. Grundsätzlich entspricht die Schiffs­ konstruktion der eines Einschraubenschiffs. Mit S ist ein Heckspant bezeichnet. Hinter den beiden Propellern ist ein Ruder 3 angeordnet.

Ein fahrendes Einschraubenschiff erzeugt gemäß Fig. 4 Schiffskörper-Bilgenwirbel V 1 und V 2 symmetrisch längs der Backbord- und Steuerbordseite. In Fig. 4 ist die Strömungsrichtung durch Strömungspfeile angedeutet.

Die gestrichelten Linien deuten Kielwasserströmungen an, deren Strömungsgeschwindigkeiten gleich sind. Die Wirbel V 1 und V 2 bewirken jeweils eine nach innen rotierende Strömung in Richtung zur Mitte des Schiffskörpers. Die Propellerwellen 1 B und 2 B sind jeweils in der Nähe der Mitte der Wirbel V 1 und V 2 angeordnet, und die Propeller drehen sich in Auswärtsrichtungen R 1 und R 2 entgegenge­ setzt zur Drehrichtung der Schiffskörper-Bilgenwirbel. Dadurch werden die Bilgenwirbel V 1 und V 2 längs der Backbord- und Steuerbordseite wirksam ausgenutzt und der Schiffskörper-Wirkungsgrad verbessert. Mit 1′ und 2′ sind in Fig. 4 die Rotationsorte (Umkreise) der Back­ und Steuerbordpropeller bezeichnet. Mit 9 und 9′ sind die Propellerwelle und der Drehort (Umkreis) des Propel­ lers eines herkömmlichen Einschraubenschiffs bezeichnet.

Wie Fig. 2 zeigt, ist neben der Ausbildung als Eingriffs­ propeller durch ihre Anordnung und Drehung in der glei­ chen Ebene, wie bereits erwähnt, die Neigung der Back­ bord- und Steuerbord-Propellerflügel entgegengesetzt gewählt, so daß sie nicht miteinander in Berührung kommen können, selbst wenn sie sich einander annähern. Dadurch können die Propeller wirksam als Eingriffspropeller arbeiten, so daß sie den weiten Anforderungsbereich einer Antriebseinrichtung abdecken, ohne Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Flügel und der Arbeitsfläche zu unterliegen. Durch die Wahl der Längsposition der Propellerwellen relativ zum Heckspant äquivalent zu der eines Einschraubenschiffs kann eine mögliche Zunahme des Schiffskörper-Widerstands wirksam vermieden werden. Mit 1 A und 2 A sind die Propellernaben bezeichnet.

Die Fig. 3(a)-(c) stellen Ausführungsbeispiele dar, bei denen zwei Wellen 1 B und 28 mit einer einzigen An­ triebsmaschine 4 verbunden sind. Fig. 3(d) stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem zwei Wellen 1 B und 2 B mit zwei Antriebsmaschinen 4 verbunden sind.

Nach Fig. 3(a) ist die Steuerbord-Propellerwelle 1 B mit der Antriebswelle 4 A der Antriebsmaschine 4 über ein passives Zahnrad 1 C, das am Ende der Welle 1 B be­ festigt ist, ein Zwischenzahnrad 6, das mit dem Zahnrad 1 C und einem Antriebszahnrad 4 B in Eingriff steht, ver­ bunden. Die Backbord-Propellerwelle 2 B ist mit dem An­ triebszahnrad 4 B über ein passives Zahnrad 2 C verbun­ den, das mit dem Ende der Welle 2 B verbunden ist und mit dem Zahnrad 4 B in Eingriff steht. Mit 5 ist ein Getriebekasten bezeichnet.

Nach Fig. 3(b) stehen passive Zahnräder 1 C und 2 C mit sich gegenüberliegenden Seiten des Antriebszahnrads 4 B in Eingriff. Die Backbord-Propellerwelle 2 B ist unmit­ telbar mit dem passiven Zahnrad 2 C verbunden, während die andere Propellerwelle 1 B mit dem passiven Zahnrad 1 C über ein Umkehrgetriebe 7 verbunden ist.

Nach Fig. 3(c) sind die Propellerwellen 1 B und 2 B, im Gegensatz zu den zuvor geschilderten Ausführungsbeispie­ len, nicht parallel zueinander angeordnet, sondern sym­ metrisch schräg relativ zur Antriebswelle 4 A, die mit der Antriebsmaschine 4 verbunden ist. Die Getriebezahn­ räder sind in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 3(a) angeordnet. Wie bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 3(b) kann ein Umkehrgetriebe 7 anstelle des Zwischenzahnrads 6 verwendet werden.

Aufgrund dieser Ausbildung können die beiden Propeller 1 und 2 synchron und mit gleicher Drehzahl angetrieben werden, und sie können in Auswärtsrichtung rotieren.

Nach Fig. 3(d) sind die Propellerwellen 1 B und 2 B un­ mittelbar mit der Antriebsmaschine 4 verbunden. In die­ sem Fall sind für den Synchronantrieb der Propeller 1 und 2 Synchronisier-Zahnräder 8 auf den Propellerwel­ len angebracht, so daß sie miteinander in Eingriff ste­ hen.

Umfangreiche Versuche in Wasserbecken haben ergeben, daß die optimale vertikale Höhenlage der Doppelpropeller mehr als 0,5 Dp, wobei Dp den Propellerdurchmesser dar­ stellt, und weniger als 0,75 Dp oberhalb der Grundlinie (des Schiffsbodens) beträgt. Ferner hat sich gezeigt, daß der optimale Abstand der Propellerwellen mehr als 0,5 b plus 0,5 Db, wobei b den Durchmesser der Propeller­ nabe darstellt, und weniger als 0,7 Db beträgt.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand von Backbord- und Steuerbord-Propellerwelle und den durch die Erfindung erzielten funktionellen Effekt. Auf der vertikalen Achse in Fig. 5 ist das Verhältnis von An­ triebsleistung (PS) der erfindungsgemäßen Antriebsein­ richtung zu der eines herkömmlichen Einschraubenschiffs aufgetragen. Auf der horizontalen Achse ist das Verhält­ nis des Abstands der Propellerwellen zum Propellerdurch­ messer (Dp) aufgetragen. Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß, wenn der Abstand der Propellerwellen kleiner als 0,75 Dp ist, bei der erfindungsgemäßen Lösung eine geringere Antriebsleistung als bei einem herkömmlichen Einschraubenschiff erforderlich ist.

Wie ferner das Vergleichsdiagramm nach Fig. 6 zeigt, in dem die Antriebsleistungskurven dargestellt sind, läßt sich durch die erfindungsgemäße Lösung offensicht­ lich die Antriebsleistung gegenüber der eines Einschrau­ benschiffs um etwa 12% verringern, und zwar sowohl bei Vollast als auch bei Ballast-Fahrt eines Schiffs. Auf der vertikalen Achse in Fig. 6 ist die Antriebsleistung (PS) und auf der horizontalen Achse die Geschwindigkeit des Schiffs aufgetragen. Die Leistungskurven eines Ein­ schraubenschiffs sind durch gestrichelte Linien und die erfindungsgemäßen Leistungskurven durch durchgehende Linien dargestellt.

Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

• 1. Da die Achsen der Doppelpropeller so dicht wie mög­ lich bei den Mittelpunkten der Schiffskörper-Bilgen­ wirbel liegen und die Propeller nach außen, d.h. entgegengesetzt zur Zirkulationsrichtung der Wirbel, gedreht werden, wird der Schiffskörper-Wirkungsgrad verbessert.
• 2. Da die Neigungen der Backbord- und Steuerbord-Pro­ pellerblätter entgegengesetzt sind, kann die Antriebs­ einrichtung die volle Wirkung entfalten, die bei einem Eingriffspropellersystem möglich ist, um einen großen Bereich von Anforderungen zu erfüllen, ohne Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Propeller­ blätter und der Größe der Arbeitsfläche zu unterlie­ gen. Ferner kann eine mögliche Zunahme der Schiffs­ körper-Belastung dadurch vermieden werden, daß die relative axiale Lage der Propeller in bezug auf das Heckspant äquivalent zu der eines herkömmlichen Ein­ schraubenschiffs eingestellt wird.

Infolgedessen läßt sich bei der erfindungsgemäßen Lösung die Antriebsleistung gegenüber der eines Einschrauben­ schiffs um 5 bis 15% verringern.

Claims (1)

1. Antriebseinrichtung für ein Schiff, die zwei ineinander­ greifende Propeller (1, 2) aufweist, die jeweils auf der Steuerbord- und Backbordseite gleicher Höhe und an der gleichen Stelle in Längsrichtung relativ zueinan­ der angeordnet sind, wobei jeder Propeller die gleiche Anzahl Z von Flügeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen beider Propeller in der Nähe des Mittel­ punkts jeweils eines der beiden Schiffskörper-Bilgen­ wirbel, die längs der Backbord- und Steuerbordseite erzeugt werden, angeordnet sind,
   daß der Steuerbord- und Backbord-Propeller (1, 2) jeweils im Gegenuhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn, vom Heck aus gesehen, drehbar sind,
   daß die Flügel des einen Propellers um einen Drehwinkel von etwa 360°/2Z gegenüber denen des anderen Propellers versetzt angeordnet sind und
   daß die Flügel des einen Propellers abweichend von denen des anderen Propellers geneigt sind.