DE4441604C2 - Schiffspropulsionsanlage mit zwei koaxialen, gegenläufig rotierenden Propellern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schiffspropulsionsanlage mit zwei koaxial hintereinander angeordneten, gegenläufig rotierenden Propellern, von denen der erste von mindestens einem Verbrennungsmotor und der zweite Propeller von mindestens einem elektrischen Fahrmotor, der von mindestens einem Generator gespeist wird, angetrieben wird.

Derartige Anlagen sind bekannt und befinden sich im Einsatz. Insbesondere aber auf Schiffen wie Shuttletankern, Tauchmutterschiffen, Seeschleppern, Kühlschiffen sowie dynamisch positionierbaren Schiffen wie Bohrplattformen und Bohr- und Arbeitsschiffen, bei welchen der Anteil der elektrischen Leistung an der Gesamtleistung verhältnismäßig hoch ist und nicht selten mindestens 50% beträgt und anstelle für den Antrieb wahlweise auch für andere elektrische Verbraucher wie z. B. Bugstrahlruder oder Tiefkühlanlagen benötigt wird, muß, um auch mit rein elektrischem Antrieb fahren zu können, bei den bekannten Anlagen der vor­ genannten Art zwischen dem als Hauptmaschine dienenden Verbrennungsmotor und dem von diesem angetriebenen Propeller eine auftrennbare Kupplung geschaltet sein, wodurch jedoch der apparative Aufwand und somit die Herstellungs- und Wartungskosten nicht unerheblich erhöht werden.

Eine Schiffspropulsionsanlage der eingangs genannten Art ist aus der JP 59-153690 bekannt. Die dort beschriebene Anlage weist zwei hintereinander angeordnete gegenläufig rotierende Propeller auf, von denen der erste Propeller von einem Verbrennungsmotor und der zweite Propeller von einem elektrischen Fahrmotor angetrieben wird, wobei der elektrische Fahrmotor durch von dem Verbrennungsmotor erzeugte Energie angetrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Schiffspropulsionsanlage derart zu verbessern, daß eine bessere Schub- und Leistungsoptimierung sowie Verbrauchsoptimierung und somit ein erheblich höherer Wirkungsgrad erzielbar ist und insbesondere auch das Anfahren und der Dauerbetrieb mit stark reduzierter Leistung durch einen Propeller möglich wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der Schiffspropulsionsanlage der eingangs genannten Art der eine Propeller ein Verstellpropeller und der andere Propeller ein Festpropeller ist, und die Summe der Leistungen des mindestens einen Verbrennungsmotors und mindestens einen elektrischen Fahrmotors im wesentlichen der für das Schiff maximal benötigt sind Gesamtpropulsionsleistung entspricht.

Mit Hilfe dieser Merkmalskombination kann eine deutlich bessere Schub- und Leistungsoptimierung sowie eine Optimierung des Verbrauchs erzielt werden, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Anlage erheblich gesteigert und auch ein Anfahr- und Dauerbetrieb mit stark reduzierter Leistung durch einen Propeller möglich wird.

Mit Hilfe der Erfindung ist es ferner möglich, daß der oder die den Verstellpropeller antreibenden Motoren im Falle des Alleinbetriebes - also ohne Antrieb des Festpropellers - die damit verbundene erhöhte Drehmomentenbelastung im wesentlichen vollständig übernehmen und somit seine oder ihre Gesamtleistung im wesentlichen vollständig in Schub umsetzen können, indem die Steigung des Verstellpropellers entsprechend eingestellt wird. Somit bewirkt die Erfindung eine deutlich bessere Schub- und Leistungsoptimierung und somit auch einen erheblich höheren Wirkungsgrad. Ferner entfällt eine Trennkupplung, da bei Nichtbenutzung der Verstellpropeller einfach in Segelstellung gestellt werden kann, wodurch der apparative Aufwand und somit die Herstellungs- und Wartungskosten nicht unerheblich gesenkt werden können.

Demgegenüber lehren sowohl die bereits zuvor erwähnte JP 59-153690 als auch die DE 32 07 398 C2, den Verbrennungsmotor so auszulegen, daß dessen Leistung allein der für das Schiff maximal benötigten Gesamtpropulsionsleistung entspricht. Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird jedoch die maximal benötigte Gesamtleistung auf den Verbrennungsmotor einerseits und den elektrischen Fahrmotor andererseits aufgeteilt, um - wie bereits zuvor ausgeführt - den Verbrauch von Brennstoff weiter zu optimieren.

Die erfindungsgemäße Anlage ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Verstellpropeller vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, der in der Regel auch als Hauptmaschine benutzt wird. Bei Schiffen mit großem Anteil elektrischer Leistung (beispielsweise 50%) an der Gesamtleistung der Anlage hat sich nämlich gezeigt, daß ein vom Verbrennungsmotor angetriebener Festpropeller bei Alleinbetrieb (beispielsweise für einen "take-home"-Betrieb) - also ohne zusätzli­ che elektrische Antriebe, wenn die hierfür benötigte elektrische Energie für andere elektrische Anlagen wie beispielsweise Tiefkühl­ kompressoren oder Bugstrahlruder gebraucht wird - überlastet ist, wodurch die Drehzahl und somit auch die Leistung des Verbrennungs­ motors sinkt. Eine solche Überlastung wird durch entsprechende Einstellung der Steigung des erfindungsgemäß vorgesehenen Verstell­ propellers verhindert. Bei dieser Ausführung bewirkt die Erfindung nicht nur bessere Alleinfahrbedingungen für den Verstellpropeller antreibende relativ kleine Verbrennungsmotoren, sondern ebenfalls bessere Anfahrbedingungen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß bei Havarie des oder der Verbrennungsmotoren der von diesen angetriebene Verstellpropeller in Segelstellung geschal­ tet wird und somit auf den nun von dem oder den elektrischen Fahr­ motoren übernommenen Alleinbetrieb keine negativen Einflüsse ausübt.

Üblicherweise ist der erste Propeller, in Fahrtrichtung des Schiffes betrachtet, hinter dem zweiten Propeller angeordnet.

Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die die Steigung des Verstellpropellers derart steuert, daß ein möglichst ökono­ mischer Betrieb der Anlage erzielt wird und die Drehzahl und/oder Leistung des den Verstellpropeller antreibenden Motors und/oder des den Festpropeller antreibenden Motors steuert. Zur Leistungs- und Schuboptimierung der Anlage kann die Steuereinrichtung abgespeicher­ te Kenndaten und -kurven des mindestens einen Verbrennungsmotors, des elektrischen Systems und der Propeller für die Steuerung ver­ wenden und ebenfalls eine Selbstoptimierung eines ökonomischen Betriebes unter Berücksichtigung des Schubes und der Geschwindigkeit des Schiffes in Abhängigkeit von der Veränderung der Steigung des Verstellpropellers, der Drehzahl des mindestens einen Verbrennungs­ motors und/oder der Leistung des mindestens einen elektrischen Fahrmotors vornehmen.

Zweckmäßigerweise sollte der mindestens eine elektrische Fahrmotor mindestens zwei Ständerwicklungen enthalten. Dies hätte den Vorteil, daß durch Zu- und Abschalten der Ständerwicklungen der elektrische Fahrmotor in seiner Leistung eingestellt und der nicht zugeschaltete Anteil der elektrischen Leistung für andere Aufgaben und elektrische Anlagen verwendet werden kann.

Dabei sollte die Leistung des oder der elektrischen Fahrmotoren oder deren Teilwicklungsleistungen auf die Leistung anderer elektrischer Anlagen abgestimmt sein.

Vorzugsweise kann der mindestens eine elektrische Fahrmotor oder dessen Teilwicklungen auch über mindestens einen Umrichter von dem mindestens einen Generator gespeist werden, wodurch eine gleitende Drehzahl- und Leistungsregelung durchgeführt werden kann. Dabei kann der Umrichter vom elektrischen Fahrmotor weggeschaltet und nach Bedarf auf andere elektrische Anlagen aufgeschaltet werden.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Schiffspropulsionsanlage anhand der beiliegenden Figur näher erläutert, die ein schematisches Blockschaltbild der bevorzugten Ausführung zeigt.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt eine Schiffspropulsions­ anlage mit zwei hintereinander angeordneten, gegenläufig rotierenden Propellern 2, 4, die auf zwei koaxial zueinander und ortsfest angeordneten drehbaren Wellen 6, 8 sitzen und von denen, in Fahrt­ richtung des Schiffes betrachtet, der hintere Propeller 2 ein Verstellpropeller und der vordere Propeller 4 ein Festpropeller ist.

Der Verstellpropeller 2 wird über die Welle 6 direkt von einem als Hauptmaschine dienenden Verbrennungsmotor 14 angetrieben, der üblicherweise ein Dieselmotor ist. Selbstverständlich kann auch zwischen dem Verstellpropeller 2 und dem Verbrennungsmotor 14 ein Getriebe geschaltet sein. Ebenfalls ist es denkbar, mehrere Ver­ brennungsmotoren für den Antrieb des Verstellpropellers 2 vorzuse­ hen.

Die Welle 8 des Festpropellers 4 ist als Hohlwelle ausgebildet durch die die Welle 6 des Verstellpropellers 2 läuft. Angetrieben wird der Festpropeller 4 im dargestellten Ausführungsbeispiel von zwei elektrischen Fahrmotoren 24, 24′, deren Ausgangswellen über ein Getriebe 32 mit der Welle 8 des Festpropellers 4 gekoppelt sind. Es ist aber auch denkbar, wahlweise mehr als zwei elektrische Fahr­ motoren oder auch nur einen einzigen elektrischen Fahrmotor zum Antrieb des Festpropellers 4 vorzusehen. Die elektrischen Fahr­ motoren 24, 24′ enthalten im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils zwei Ständerwicklungen, die je nach Leistungsbedarf wahl­ weise einzeln oder gemeinsam an ein Fahrnetz 18 zuschaltbar sind. Es ist selbstverständlich auch denkbar, elektrische Fahrmotoren mit mehr als zwei Ständerwicklungen oder nur mit einer einzigen Ständer­ wicklung vorzusehen.

Die Summe der Leistungen des Verbrennungsmotors 14 und der elek­ trischen Fahrmotoren 24, 24′ sollten im wesentlichen der für das Schiff maximal benötigten Gesamtpropulsionsleistung entsprechen.

Gespeist werden die elektrischen Fahrmotoren 24, 24′ von elektri­ schen Generatorern, 16, 16′, die jeweils von einem Hilfsverbren­ nungsmotor 15, 15′ angetrieben werden. Die Hilfsverbrennungsmotoren 15, 15′ bestehen vorzugsweise aus Dieselmotoren. Natürlich kann - anders als in der dargestellten Ausführung - jeder Hilfsverbren­ nungsmotor auch mehr als einen Generator antreiben; umgekehrt ist es ebenfalls denkbar, daß ein Generator von mehr als einem Hilfsver­ brennungsmotor angetrieben wird. Aus Gründen der Redundanz sollten wie im dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens zwei Strom­ erzeugungsaggregate vorgesehen werden. Sofern es die Bestimmungen der Klassifikationsgesellschaften im Hinblick auf die gewählte Konfiguration der Anlage zulassen, ist es selbstverständlich auch denkbar, nur ein Stromerzeugungsaggregat für das Fahrnetz 18 vor­ zusehen. Darüber hinaus können natürlich auch weitere Stromnetz­ aggregate, insbesondere für ein nicht näher dargestelltes Bordnetz, vorgesehen werden. Bei einem Fahrnetz-Bordnetz-Verbund können jedoch im allgemeinen elektrische Generatoren eingespart werden.

Die Generatoren 16, 16′ sind über Schalter 17 an das elektrische Fahrnetz 18 zuschaltbar. Gespeist werden die elektrischen Fahr­ motoren 24, 24′ aus dem Fahrnetz 18 über Umrichter 53, 53′, die über Schalter 50 an die Ständerwicklungen der elektrischen Fahrmotoren 24, 24′ zuschaltbar sind, wobei jeweils eine Ständerwicklung von einem Umrichter versorgt wird. An dieser Stelle sei darauf hingewie­ sen, daß in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit die zu­ gehörigen Umrichter für den elektrischen Fahrmotor 24′ weggelassen worden sind, tatsächlich aber auch dieser elektrische Fahrmotor von Umrichtern versorgt wird. Mit Hilfe der Umrichter 53, 53′ läßt sich eine gleitende Drehzahlregelung der elektrischen Fahrmotoren 24, 24′ bewerkstelligen.

Mittels der Schalter 50 können die Umrichter 53, 53′ je nach Bedarf auch auf andere elektrische Verbraucher umgeschaltet werden. In der Figur sind dies beispielsweise elektrische Antriebsmotoren 51, 51′ für Bugstrahlruder 52, 52′. Es können von den Umrichtern aber auch alternativ oder zusätzlich andere elektrische Verbraucher wie beispielsweise Tiefkühlkompressoren bei Kühlschiffen versorgt werden. Die dargestellte Schiffspropulsionsanlage findet deshalb insbesondere Einsatz auf Schiffen mit einem größeren Anteil elek­ trischer Leistung (beispielsweise etwa 50%) an der Gesamtleistung, wobei in bestimmten Betriebssituationen die elektrischen Fahrmotoren teilweise oder vollständig abgeschaltet und die von ihnen benötigte elektrische Energie für die anderen elektrischen Verbraucher zur Verfügung gestellt wird. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, die Gesamtleistung der elektrischen Fahrmotoren auf die Gesamtleistung der anderen elektrischen Verbraucher abzustimmen.

Wenn in bestimmten Betriebszuständen die anderen elektrischen Verbraucher die zur Verfügung stehende elektrische Leistung voll­ ständig benötigen und somit die elektrischen Fahrmotoren 24, 24′ abgeschaltet werden müssen, übernimmt der Verbrennungsmotor 14 den alleinigen Antrieb des Schiffes. Bei einem Festpropeller wie in den herkömmlichen Anlagen wäre allerdings der Verbrennungsmotor 14 überlastet, was sich in einer Absenkung der Drehzahl und somit des Drehmomentes bemerkbar machen würde. Demgegenüber erlaubt in der­ artigen Fällen der erfindungsgemäß vorgesehene Verstellpropeller 2 durch entsprechend eingestellte Steigung dem Verbrennungsmotor 14, seine Gesamtleistung in Schub umzusetzen.

Im umgekehrten Fall, beispielsweise bei Havarie des Verbrennungs­ motors 14, wird der Verstellpropeller 2 in Segelstellung gestellt und stört somit nicht den nun von den elektrischen Fahrmotoren 24, 24′ allein übernommenen Antrieb des Schiffes über den Festpropeller 4.

Ein Steuerungsrechner 100 steuert dabei die Steigung des Verstell­ propellers 2 derart, daß ein möglichst ökonomischer Betrieb der Anlage erzielt wird. Zusätzlich steuert der Steuerungsrechner 100 auch noch die Drehzahl und/oder Leistung des Verbrennungsmotors 14 und der elektrischen Fahrmotoren 24, 24′. Vorzugsweise verwendet der Steuerungsrechner 100 abgespeicherte Kenndaten und -kurven des Verbrennungsmotors 14, des von den Generatoren 16, 16′, dem Fahrnetz 18, den Umrichtern 53, 53′ und den elektrischen Fahrmotoren 24, 24′ gebildeten elektrischen Systems und der Propeller 2, 4 für die Steuerung und nimmt eine Selbstoptimierung eines ökonomischen Betriebes unter Berücksichtigung des Schubes und der Geschwindigkeit des Schiffes in Abhängigkeit von der Veränderung der Steigung des Verstellpropellers 2, der Drehzahl des Verbrennungsmotors 14 und/oder der Leistung der elektrischen Fahrmotoren 24, 24′ vor.

Wie zuvor beschrieben wurde, ist bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel der Verstellpropeller 2 hinter dem Festpropeller 4 angeord­ net und wird vom Verbrennungsmotor 14 angetrieben, während der vordere Festpropeller 4 von den elektrischen Fahrmotoren 14, 14′ angetrieben wird. Gleichwohl ist die Erfindung auf eine solche Konfiguration nicht beschränkt. Es ist beispielsweise auch denkbar, den Verstellpropeller, in Fahrtrichtung des Schiffes betrachtet, vor dem Festpropeller anzuordnen und/oder den Verbrennungsmotor für den Antrieb des Festpropellers und die elektrischen Fahrmotoren für den Antrieb des Verstellpropellers vorzusehen.

Claims (13)

1. Schiffspropulsionsanlage mit zwei koaxial hintereinander angeordneten, gegenläufig rotierenden Propellern (2, 4), von denen der erste (2) von mindestens einem Verbrennungsmotor (14) und der zweite Propeller (4) von mindestens einem elektrischen Fahrmotor (24, 24′), der von mindestens einem Generator (16, 16′) gespeist wird, angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Propeller (2) ein Verstellpropeller und der andere Propeller (4) ein Festpropeller ist und die Summe der Leistungen des minde­ stens einen Verbrennungsmotors (14) und des mindestens einen elektrischen Fahrmotors (24, 24′) im wesentlichen der für das Schiff maximal benötigten Gesamtpropulsionsleistung entspricht.

2. Schiffspropulsionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Propeller (2) der Verstell­ propeller und der zweite Propeller (4) der Festpropeller ist.

3. Schiffspropulsionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Propeller (2), in Fahrtrich­ tung des Schiffes betrachtet, hinter dem zweiten Propeller (4) angeordnet ist.

4. Schiffspropulsionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch durch eine Steuereinrichtung (100), die die Steigung des Verstellpropellers (2) derart steuert, daß ein mög­ lichst ökonomischer Betrieb der Anlage erzielt wird.

5. Schiffspropulsionsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (100) die Drehzahl und/oder die Leistung des den Verstellpropeller (2) antreibenden Motors (14) steuert.

6. Schiffspropulsionsanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (100) die Drehzahl und/oder die Leistung des den Festpropeller (4) antreibenden Motors (24, 24′) steuert.

7. Schiffspropulsionsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (100) abgespei­ cherte Kenndaten und -kurven des mindestens einen Verbrennungsmotors (14), des elektrischen Systems (16, 24; 16′, 24′) und der Propeller (2, 4) für die Steuerung verwendet.

8. Schiffspropulsionsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (100) eine Selbst­ optimierung eines ökonomischen Betriebes unter Berücksichtigung des Schubes und der Geschwindigkeit des Schiffes in Abhängigkeit von der Veränderung der Steigung des Verstellpropellers (2), der Drehzahl des mindestens einen Verbrennungsmotors (14) und/oder der Leistung des mindestens einen elektrischen Fahrmotors (24, 24′) vornimmt.

9. Schiffspropulsionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine elektrische Fahr­ motor (24, 24′) mindestens zwei Ständerwicklungen enthält.

10. Schiffspropulsionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des oder der elektrischen Fahrmotoren (24, 24′) auf die Leistung anderer elektrischer Anlagen (18, 51, 51′) abgestimmt ist.

11. Schiffspropulsionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine elektrische Fahr­ motor (24, 24′) über mindestens einen Umrichter (53, 53′) von dem mindestens einen Generator (16, 16′) gespeist wird.

12. Schiffspropulsionsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (53, 53′) vom elektrischen Fahrmotor (24, 24′) wegschaltbar und nach Bedarf an andere elek­ trische Anlagen (z. B. 51, 51′) zuschaltbar ist.

13. Schiffspropulsionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei alleinigem Antrieb durch den Fest­ propeller (4) der Verstellpropeller (2) in Segelstellung gestellt wird.