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Die
Erfindung betrifft ein Marineschiff-Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ebenso ein Betriebsverfahren eines
Marineschiff-Antriebssystems
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 8.
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Die
allgemeinen Ziele – um
nur einige zu nennen – bei
der Konzeptionierung eines Antriebssystems für ein Marineschiff sind eine
gute Effektivität,
Zuverlässigkeit,
Haltbarkeit und gute Fähigkeit zum
Manövrieren
bei geringen Geschwindigkeiten. Akzente dieser Merkmale werden in
Abhängigkeit
einer bestimmten Anwendung gesetzt.
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Beispielsweise
besteht bei sog. ROPAX-Schiffen (Roll On/Roll Off Passenger) ein
Bedarf an einem Antriebssystem, das sowohl bei Kreuzfahrtgeschwindigkeiten,
z.B. oberhalb von 25 Knoten effektiv ist, und das auch gute Manövrierfähigkeiten
im Hafen zeigt.
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Hierzu
ist vorgeschlagen worden, anstelle der herkömmlichen mechanischen Wellenantriebe azimutale
Antriebe zu verwenden, wie beispielsweise sogenannte Pod-Antriebe. Bezug wird
genommen auf die Veröffentlichung
EP 590867 , in der eine Antriebs-Anordnung
gezeigt ist, die aus einer drehbaren Antriebseinheit besteht, innerhalb
der sich ein elektrischer Motor befindet, der als der Schiffs-Antriebsmotor
fungiert und an eine Schiffsschraube am Ende der Antriebseinheit
angeschlossen ist. Die Pod-Antriebe sind in dem Sinne zu bevorzugen,
als sie hinsichtlich ihrer azimutalen Steuermöglichkeit flexibel sind und sie
schaffen einen Freiraum bei der Platzierung der Hauptmaschinen.
Die Pod-Antriebe sind jedoch kostspielig und die elektrische Leistungsübertragung
verursacht beträchtliche Übertragungsverluste.
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Ein
mechanischer Schraubenantrieb als solcher hat deutliche Vorteile
hinsichtlich der geringen Kosten, seiner Einfachheit und der im
wesentlichen niedrigen Leistungsübertragungs-Verluste.
Ein mechanischer Schrauben-Antrieb hat jedoch ebenso auch Nachteile.
Die Vortriebsleistung ist nicht so gut wie erwünscht und es besteht insbesondere
bei geringen Geschwindigkeitsbedingungen ein Risiko einer druckseitigen
Kavitation, wenn ein steuerbarer Schraubenpropeller verwendet wird.
Diese Erscheinung entsteht, wenn die Schraube mit einer geringen Schraubsteigung
angetrieben wird, wobei hohe Drehgeschwindigkeits-Bedingungen zu
einem lokalen Druckabfall an der Oberfläche der Schraubenklinge führen. Auch
die Manövrierfähigkeit
ist im wesentlichen schlecht.
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Eine
Kombination aus Pod-Antrieben und mechanischen Schiffsschrauben-Antrieben
im allgemeinen wurde in einer Veröffentlichung "Hydrodynamics of
fast ropax vessel" von
Raimo Hämäläinen vorgeschlagen.
Der vorgeschlagenen Kombination sind einige nutzbare Vorteile zugeschrieben
worden. Man hat jedoch herausgefunden, dass die Lösung als solche
keine optimale Lösung
ist, insbesondere bei einem geringen Geschwindigkeits-/Manövrierbetrieb. Obwohl
der Vorschlag im allgemeinen vielversprechend zu sein scheint, gibt
es in der Praxis noch immer Punkte, die einer Lösung bedürfen.
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In
der japanischen Patentveröffentlichung
JP 914 2391 ist ein Marineschiff-Antriebssystem gezeigt,
das lenkbare azimutale Propeller aufweist, die auf beiden Seiten
von Haupt-Schiffsschrauben im Heckbereich des Schiffes angeordnet
sind. Dieses System hat eine negative Wirkung auf die Vortriebsleistung
insbesondere bei einem niedrigen Geschwindigkeits-/Manövrierbetrieb.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Marineschiff-Antriebssystem
und ein Betriebsverfahren eines Marineschiff-Antriebssystems zu
schaffen, bei denen die Nachteile im Stand der Technik minimiert sind.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, ein Marineschiff-Hybridantriebssystem
und ein Betriebsverfahren eines Marineschiff-Antriebssystems zu
schaffen, die eine gute Leistungsfähigkeit über den gesamten Betriebsbereich
und insbesondere in einem niedrigen Geschwindigkeits-/Manövrierbetrieb
sowie eine gute Betriebsfähigkeit
und ebenso eine reduzierte Antriebsvibration und ein reduziertes Geräuschniveau
zeigen.
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Die
Aufgaben der Erfindung sind im wesentlichen durch die Gegenstände der
Ansprüche
1, 8 und im genaueren durch die anderen Ansprüche erfüllt.
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Die
Aufgaben der Erfindung sind mit einem Marineschiff-Antriebssystem
gelöst,
das ein Maschinensystem zur Erzeugung der Vortriebsleistung sowie
mehrere Antriebsmittel im Heckbereich mit mindestens zwei Antriebs-Anordnungen
aufweist, die eine Lenkaktion ausführen können, und mit mindestens einem
wellenangetriebenen Schrauben-Antrieb. Die Erfindung ist durch ein
Merkmal gekennzeichnet, dass der mindestens eine angetriebene Schrauben-Antrieb
mit einer steuerbaren Schraubenneigung des Propellers versehen ist,
die auf im wesentlichen flachgedrehte Zustände einstellbar ist. Gemäß der Erfindung
ist der mindestens eine wellenangetriebene Schiffsschrauben-Antrieb
mit einer steuerbaren Schraubenneigung des Propellers versehen,
die auf im wesentlichen flachgedrehte Zustände einstellbar ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die zur Steuerung fähigen mindestens zwei Antriebs-Anordnungen
azimutale Antriebs-Anordnungen, die entweder mit variablen oder mit
konstanten Schraub-Propellersystemen versehen sein können. Die
azimutalen Antriebs-Anordnungen werden vorzugsweise aus einem Elektromotor gespeist,
dessen Leistung aus dem Generatorsatz der Kolbenmaschine stammt.
Der wellenangetriebene Schrauben-Antrieb ist mechanisch an eine
Kolbenmaschine mittels einem Getriebesystem oder dergleichen angeschlossen.
In einigen Fällen
können auch
Wasserstrahl-Antriebssysteme als Antriebs-Anordnungen verwendet
werden, die zu einer Steuerung fähig
sind.
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Das
Antriebssystem gemäß der Erfindung
ist dazu bestimmt, bei verschiedenen Betriebsmodi unterschiedlich
betrieben zu werden, nämlich
insbesondere bei einem normalen/Fahrgeschwindigkeits-Betrieb sowie
bei einem niedrigen Geschwindigkeits/Hafenmanövrierbetrieb. Beim normalem/Fahrgeschwindigkeitsbetrieb
sind sowohl die mindestens zwei azimutalen Betriebsanordnungen und
der mindestens eine wellenangetriebene Schrauben-Antrieb dazu bestimmt,
eine Beschleunigungskraft zum Bewegen des Schiffes hervorzurufen.
Im Niedriggeschwindigkeitsbetrieb/Hafenmanövrierbetrieb sind nur die mindestens
zwei azimutalen Antriebs-Anordnungen dazu vorgesehen, eine Beschleunigungskraft
vorzusehen, um das Schiff zu bewegen. Auf diese Weise ist das Manövrierverhalten
vorteilhafter. Das Steuern des Schiffes wird immer mittels der mindestens
zwei Antriebs-Anordnungen vollzogen, die einer Lenkaktion zugänglich sind,
d.h. den azimutalen Antriebs-Anordnungen.
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Der
Neigungswinkel der Schraubenblätter
in dem Propeller des wellenangetriebenen Schrauben-Antriebs ist
bezüglich
der Normalen der Welle des wellenangetriebenen Schrauben-Antriebs
auf einen Winkel von ±80°-100° einstellbar.
Das bedeutet in der Praxis, dass die Propellerblätter in irgendeine Richtung
gedreht werden, bis sie im wesentlichen parallel zur Längsachse
des Schiffes stehen. Die Drehrichtung kann gemäß der Form der Blätter gewählt werden,
so dass der Strömungswiderstand
minimiert ist. Vorzugsweise umfasst das Maschinensystem ein Getriebe
und eine Kupplungsvorrichtung, mit der die Schraub-Antriebswelle
an der Maschine angeschlossen und in eine entkuppelte Position bringbar
ist. Das führt
zu einem Vorteil, die Übertragungsleistung
an die Antriebswelle zu unterbrechen, bevor und während die
Schiffsschraube zu Volllastfahrt-Bedingungen läuft. Das Vorsehen der Schiffsschraube
mit einer Kupplungsvorrichtung führt
auch zu einer Möglichkeit,
die Maschine laufen zu lassen, während
die Kraftübertragung
entkoppelt ist. Es ist jedoch vorteilhaft, die Maschine anzuhalten,
um beispielsweise unnötige
Emissionen zu reduzieren.
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Gemäß dem Betriebsverfahren
eines Marineschiff-Antriebssystems sind im Heckabschnitt mindestens
zwei der Steueraktion fähige
Antriebs-Anordnungen und mindestens ein wellenangetriebener Schraubenantrieb
vorgesehen, wobei im normalen/Fahrgeschwindigkeitsbetrieb die Antriebs-Beschleunigungskraft
durch den wellenangetriebenen Schraubenantrieb und die der Steueraktion
fähigen Antriebs-Anordnungen vorgesehen
ist. Die Beschleunigungskraft zum Lenken ist mittels der Antriebs-Anordnungen
vorgesehen, die für
das Lenken zuständig
sind. Das Antriebssystem umfasst überdies mindestens einen wellenangetriebenen
Schraubenantrieb mit einer steuerbaren Propeller-Schraubenneigung,
wobei bei normalen-/Fahrgeschwindigkeiten die Beschleunigungskraft
des wellenangetriebenen Schraubenantriebs hauptsächlich durch Einstellen der
Schraubenneigung der Schiffsschraube eingestellt wird. Im niedrigen
Geschwindigkeitsbetrieb und/oder im Hafenmanöver ist der wellenangetriebene
Schrauben-Antrieb flachgedreht eingestellt und eine Kraftübertragung
an die Schiffsschraube ist unterbrochen. Dies wird durch Einstellen
der Schraubenneigung der wellenangetriebenen Schiffsschraube vollzogen.
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Während die
Kraftübertragung
auf den Schrauben-Antrieb vom Maschinesystem unterbrochen ist, bleiben
die mindestens zwei, zur Lenkung fähigen Antriebs-Anordnungen in Betrieb.
Eine Kraftübertragung
an den wellenangetriebenen Schrauben-Antrieb wird durch Entkoppeln
der Maschine von der Welle oder dem wellenangetriebenen Schrauben-Antrieb
unterbrochen, oder im Fall einer einzelnen Maschine ohne Getriebesystem
durch Anhalten der Maschine, bevor die Schiffsschraube flachgedreht
wird.
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Der
Neigungswinkel der Schiffsschraube des wellenangetriebenen Schrauben-Antriebs wird eingestellt
auf vorteilhafterweise entweder +80-100° oder –80-100°. Die mindestens zwei der Lenkung
fähigen
Antriebs-Anordnungen werden vorzugsweise aus Elektromotoren gespeist,
die ihre Leistung aus einem oder mehreren Kolbenmaschinen-Generatorsätzen erhalten.
Während
einem niedrigen Geschwindigkeitsbetrieb und/oder einem Hafenmanöver laufen
die Kolbenmaschinen der Kolben maschinen-Generatorsätze mit
höherer
Geschwindigkeit als im ungenutzten Geschwindigkeitsbetrieb, im wesentlichen
zu deren wirkungsvollster konstanten Geschwindigkeit, und vorzugsweise
im wesentlichen unabhängig
von der Leistungsanforderung der Antriebs-Anordnungen. Auf diese
Weise können
die Maschinen zu optimalen Bedingungen unabhängig der Leistungsanforderung
und der vorherrschenden Geschwindigkeit des Schiffes laufen.
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Die
Erfindung schafft gegenüber
dem Stand der Technik folgende Vorteile. Zunächst verursacht das Antriebssystem
geringere Investitionskosten im Vergleich zu einem herkömmlichen
Diesel-Elektrik-Antriebssystem. Es zeigt ferner ausgezeichnete Manövrier-Eigenschaften
wie auch eine exzellente Antriebs-Leistungsfähigkeit für Hochgeschwindigkeitsschiffe.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können die Maschinen im Niedergeschwindigkeits-/Manövrierbetrieb
bei optimalen Bedingungen laufen und es besteht kein Risiko einer
Kavitation bezüglich
des wellenangetriebenen Schrauben-Antriebs. Ein weiterer Vorteil
der vorliegenden Erfindung liegt auch darin, dass die Anzahl der
Diesel-Generatorsätze,
die an das Netzwerk angeschlossen sind, gemäß der Lastanforderung variiert
werden können,
d.h. die Maschinen können
gestartet und angehalten werden. Auf diese Weise kann die Belastung
der Maschine näher
am Optimum gehalten werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
exemplarisch beschrieben, in denen
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1 eine
schematische Ausführungsform des
Antriebssystems gemäß der Erfindung
im Normalbetrieb zeigt, und
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2 das
Antriebssystem gemäß 1 im Niedergeschwindigkeits-/Manöverbetrieb
zeigt.
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In
den Figuren ist mit der Bezugsziffer 1 der Rumpf eines
Schiffes bezeichnet, von dem nur der Heckabschnitt gezeigt ist.
Das Schiff ist mit einem Maschinensystem 2 einschließlich einer
Anzahl von Kolbenmaschinen-Generatorsätzen 2.1 und einer Anzahl
von Kolbenmaschinen 2.2 versehen, die mechanisch an einem
wellenangetriebenen mechanischen Schrauben-Antrieb 3 angeschlossen
sind. Der wellenangetriebene Schrauben-Antrieb 3 umfasst
ein Getriebe und eine Kupplung 4, über die die Maschinen 2.2 an
einer Antriebswelle 5 des Schrauben-Antriebs 3 angeschlossen
sind. Am Außenende
der Antriebswelle 5 befindet sich eine daran angeschlossene
Schiffsschraube 6. Der wellenangetriebene Schrauben-Systemantrieb 3 weist
eine Schiffsschraube mit steuerbarer Schraubenneigung und eine Anordnung 7 zum
Einstellen des Schrauben-Neigungswinkels A auf, die hier nur sehr
schematisch dargestellt ist. Die Anordnung 7 zum Einstellen
der Schraubenneigung kann hydraulisch oder mechanisch betrieben
sein, welche Systeme herkömmlicherweise
bekanntermaßen
erhältlich
sind. Die Einstellanordnung 7 für den Schrauben-Neigungswinkel ist
jedoch derart, dass die Neigung der Schiffsschraube auf im wesentlichen
flachgedrehte Bedingungen einstellbar ist. In der Praxis bedeutet dies,
dass der Mechanismus zum Drehen der Schraubenblätter diese zum Drehen über einen
größeren Winkel
veranlasst, als dies bei einer normalen Schraubenblatt-Einstellung
der Fall ist. Dies wird im größeren Detail
mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Die
Kolbenmaschinen-Generatorsätze 2.1 erzeugen
eine elektrische Leistung und führen
diese an ein Netzwerk 8 ab, mittels dem diese Leistung
an die der Steuerung fähigen
Antriebs-Anordnungen übertragen
werden kann, wie beispielsweise an die Pod-Antriebseinheiten 9.
Die Pod-Antriebseinheit 9 ist um ihre Vertikalachse drehbar,
wie das durch die Pfeile in den Figuren gezeigt ist. Dieses Merkmal
wird in der vorliegenden Erfindung genutzt, so dass die Pod-Einheiten 9 als
Lenkvorrichtungen dienen und der wellenangetriebene Schrauben-Antrieb 3 ohne einem
Ruder-System ist.
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Der
wellenangetriebene Schrauben-Antrieb 3 ist an der Mittellinie
des Schiffskörpers
positioniert. In dem Fall, bei dem mehrere wellenangetriebene Schrauben-Antriebe
erwünscht
sind, sind diese symmetrisch bezüglich
der Mittellinie des Schiffskörpers 1 anzuordnen.
In den Figuren sind die zwei der Lenkung zugänglichen Antriebs-Anordnungen, d.h.
die Pod-Antriebe 9 zu beiden Seiten des wellenangetriebenen
Schrauben-Antriebs 3 angeordnet und haben im wesentlichen
dieselbe längsgerichtete
Position entsprechend der Schiffsschraube 6 des wellenangetriebenen
Schrauben-Antriebs 3.
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Bei
normalen Fahrtgeschwindigkeits-Bedingungen sind der wellenangetriebene
Schrauben-Antrieb 3 und die Pod-Antriebe 9 zur
Erzeugung der Beschleunigungskraft zum Bewegen des Schiffes in Verwendung.
Die Pod-Antriebe 9 sind mit variablen Geschwindigkeits-Schiffsschraubensystemen
versehen, wobei die Beschleunigungskraft der Pod-Antriebe 9 durch
Steuern der Drehgeschwindigkeit ihrer Schiffsschrauben eingestellt
wird. Die Beschleunigungskraft kann auch durch Steuern des Schraubenblatt-Neigungswinkels
gesteuert werden, wenn diese mit steuerbaren Schrauben-Blättern versehen
sind. Die Beschleunigungskraft des wellenangetriebenen Schrauben-Antriebs 3 wird
hauptsächlich
durch Einstellen des Schraubenblatt-Neigungswinkels eingestellt. Natürlich ist
es auch möglich,
die Drehgeschwindigkeit durch Einstellen der Motorgeschwindigkeit
zu justieren.
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Bei
einem Betrieb, bei dem eine bessere Manövrierfähigkeit erwünscht und die Geschwindigkeit gering
ist, sind nur die Pod-Antriebe 9 für den Vortrieb in Verwendung.
In diesem Betriebsmodus ist der Neigungswinkel des wellenangetriebenen
Schrauben-Antriebs so eingestellt, dass dessen Strömungswiderstand
im wesentlichen vermindert ist. Diese Situation ist in 2 gezeigt.
Auf diese Weise kann die gesamte Effektivität erhöht werden. Vorzugsweise wird
der Neigungswinkel A des wellenangetriebenen Schrauben-Antriebs 3 so
eingestellt, dass die Schraube flachgedreht ist. Mit dem Begriff "flachgedreht" oder "flachgedrehte Zustände" ist hier zu verstehen,
dass der Winkel A der Schraubenblätter so angesetzt ist, dass
die Flügeltiefen,
die Geraden zwischen Führungs-
und dem Flankenrand eines Blattes näherungsweise parallel zur Wasser-Stromlinie
oder Längsachse
des Schiffes sind. Der Blattwinkel A bedeutet einen Winkel zwischen
der Normalen der Antriebs- Wellenachse
und einer mittleren Richtung der Geraden, die den Führungs-
und Flankenrand eines Blattes verbindet. Bei einem Wechsel auf einen
Niedergeschwindigkeitsbetrieb/ein Hafenmanöver wird zunächst die
Kraftübertragung
an den wellenangetriebenen Schrauben-Antrieb 3 unterbrochen,
was durch Lösen
der Kupplung 4 in einen entkoppelten Zustand vollzogen
werden kann. Nach dem Unterbrechen der Kraftübertragung wird die Schiffsschraube
des Antriebs 3 auf einen flachgedrehten Zustand gestellt.
Auf diese Weise ist es möglich,
vorteilhafte Eigenschaften des Antriebssystems für geringe Geschwindigkeiten/einen
Manövrierbetrieb
zu erhalten. Der Betrieb der Pod-Antriebe 9 wird derart
aufrechterhalten, dass die Kolbenmaschinen der Kolbenmaschinen-Generatorsätze 2.1 mit
einer größeren Geschwindigkeit
als im ungenutzten Geschwindigkeitszustand betrieben werden, im
wesentlichen zu ihrer wirkungsvollsten konstanten Geschwindigkeit
und im wesentlichen unabhängig
von dem Leistungsverbrauch der Antriebs-Anordnungen 9.
Das bedeutet, dass die gesamte Leistungsproduktion größer als
die tatsächliche
Leistungsanforderung der Pod-Antriebe 9 sein kann. Es ist
ebenso vorteilhaft, das Maschinensystem 2.2 abzuschalten.
Gemäß der Erfindung wird
das Maschinensystem 2 in diesem Betriebsmodus auf die vorteilhafteste
Weise betrieben, was zu geringen Emissionen und Vibrationen der
Schiffskörper-Konstruktionen
führt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, da
verschiedene Modifikationen der Erfindung innerhalb des Umfangs
der beigefügten
Ansprüche
denkbar sind.