DE69319620T2

DE69319620T2 - Propellerantrieb

Info

Publication number: DE69319620T2
Application number: DE69319620T
Authority: DE
Inventors: Kauko Jaervinen
Original assignee: ABB Industry Oy
Current assignee: ABB Industry Oy
Priority date: 1992-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-12-23
Also published as: AU5700494A; NO952500L; FI925829A0; US5599215A; EP0675822B1; WO1994014649A1; EP0675822A1; FI95451B; NO952500D0; NO305740B1; FI95451C; DE69319620D1; FI925829A7

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Propellerantrieb für ein Schiff oder dergleichen mit
einem ersten Elektromotor, der mit einer Welle verbunden ist, auf der ein erster Rotor und ein erster Propeller ange ordnet sind,
einem zweiten Elektromotor, der mit einer Hohlwelle verbunden ist, auf der ein zweiter Rotor und ein zweiter Propeller angeordnet sind, wodurch der erste und der zweite Elektromotor hintereinander angeordnet sind und die Welle des ersten Motors koaxial durch den Rotor des zweiten Motors und durch die zugeordnete Hohlwelle verläuft, wobei der erste und der zweite Propeller hintereinander angeordnet sind, einer ersten und zweiten Energieversorgung zum Zuführen elektrischer Energie zum ersten bzw. zweiten Motor, und einer Steuereinheit zum Steuern der ersten und zweiten Energieversorgung und durch sie des ersten und zweiten Elektromotors, um die Motoren entweder in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen zu drehen.
Bekanntlich kann der Wirkungsgrad des Propellers erheblich verbessert werden, indem statt eines herkömmlichen Propellers zwei Propeller verwendet werden, die so hintereinander angeordnet sind, daß sie um die gleiche zentrale Welle in entgegengesetzte Richtungen drehen. Durch Verwenden eines solchen Doppelpropellers ist es möglich, Einsparungen in den Treibstoffkosten für das Schiff von etwa 10 - 20 % zu erzielen. Die in Doppelpropellerantrieben nach dem Stand der Technik verwendeten Antriebsmaschinen sind herkömmliche Schiffsantriebsmaschinen, die so gestaltet sind, daß sie nur eine Welle drehen. Nahe dem Propeller ist jedoch ein Getriebe, typischerweise ein Planetengetriebe, im Innern des Schiffskörpers angeordnet, und dieses Getriebe verteilt die Energie auf zwei koaxiale gegenläufige Wellen. Das Planetengetriebe wirkt auch als Reduktionsgetriebe, das die Drehgeschwindigkeit der Antriebsmaschine für die Propeller passend macht. Folglich sind die Drehrichtungen und die Drehgeschwindigkeiten zwischen den Propellern durch die Auslegung des Planetengetriebes bestimmt und können im Betrieb nicht geändert werden. Außerdem ist ein Problem bei einem solchen Propellerantrieb die Tatsache, daß, falls die Antriebsma schine oder das Getriebe beschädigt ist, die Konseguenz oft eine Situation ist, in der keiner der Propeller mehr verwendet werden kann.
Ein Propellerantrieb wie der im einleitenden Abschnitt beschriebene für ein Schiff oder dergleichen zum Betreiben zweier gegenläuf iger Propeller, die hintereinander auf zwei koaxialen Wellen angeordnet sind, ist aus der deutschen offenlegungsschrift 19 32 929 bekannt. In diesem System wird die Drehgeschwindigkeit der Motoren zum Teil durch Ändern der Drehgeschwindigkeit der als Energieversorgungen für den Antrieb dienenden Generatoren durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit der die Generatoren drehenden Dieselmotoren und zum Teil durch ein Geschwindigkeitssteuergerät gesteuert. Ein Dieselantrieb ermöglicht eine Einstellung der Drehgeschwindigkeit im Bereich von 100% bis 30%. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Dieselmotors am niedrigsten ist, ist es unter diesen Umständen möglich, die Drehgeschwindigkeit des zweiten Motors durch das Geschwindigkeitssteuergerät bis auf Null zu verringern und ihn auch in der gleichen Richtung wie den zweiten Propeller drehen zu lassen. In dieser Anordnung nach dem Stand der Technik ist eine Voraussetzung für die Geschwindigkeitseinstellung, daß die Energieversorgung der Motoren eine Kombination eines Dieselmotors und eines Generators ist. Außerdem reicht der Bereich einer Drehgeschwindigkeitsänderung nicht ganz aus und ermöglicht keinen unabhängigen Lauf oder keine unabhängige Geschwindigkeitseinstellung der Motoren, was als der wesentlichste Nachteil der fraglichen Lösung betrachtet werden kann. Bezüglich der Betriebssicherheit von Schiffen wäre es äußerst wünschenswert, daß jeder Motor unabhängig verwendet werden könnte.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Propellerantrieb zu schaffen, wodurch die Propeller eines Doppelpropellers im wesentlichen unabhängig voneinander auf eine solche Weise eingesetzt werden können, daß ihnen vollkommen unabhängig voneinander die gewünschte Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit erteilt werden kann. Dies ermöglicht auch eine Situation, in der jeder der Propeller allein verwendet werden kann.
Ein Propellerantrieb gemäß der Erfindung, durch den die oben erwähnte Aufgabe gelöst wird, wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 beschrieben.
Im System gemäß der Erfindung ist die Lösung, daß jeder der beiden Propeller tatsächlich seine eigene Antriebsmaschine aufweist, d.h. seinen eigenen Elektromotor, und da diese Elektromotoren durch ihre eigenen Frequenzwandler versorgt werden, können die Drehgeschwindigkeit sowie die Drehrichtung der Motoren frei gewählt werden. Außerdem liefert eine Doppelmotorlösung wie diese eine Möglichkeit, irgendeinen der Motoren allein zu verwenden. Falls einer der Motoren beschädigt ist, kann folglich der andere Propeller noch in der gewünschten Richtung mit der gewünschten Geschwindigkeit gedreht werden. Die Einrichtungen in der Steuereinheit der Freguenzwandler weisen vorzugsweise auch Einrichtungen zum elektrischen Verhindern einer Drehung irgendeines der Propeller auf. Dadurch ist es möglich, die Motoren elektrisch in einer Stellung zu verriegeln und somit die Drehung eines Propellers durch den Einfluß des anderen Propellers oder den durch die Bewegung des Schiffes erzeugten Wasserstrom zu verhindern. Diese Verriegelungsoption ist besonders in verschiedenen Schadensumständen nützlich.
Im System gemäß der Erfindung haben der erste und der zweite Elektromotor vorzugsweise ein gemeinsames Gehäuse. Auf diese Weise kann der Doppelmotor als eine kompakte Einheit hergestellt werden, die nicht viel mehr Raum als ein Motor benötigt. Deshalb wird ferner bevorzugt, daß die Welle des ersten Motors durch ein Lager am Rotor des zweiten Motors über ein gegenläuf iges Lager abgestützt wird.
Der Propellerantrieb gemäß der Erfindung unterscheidet sich wesentlich von einem herkömmlichen Propellerantrieb, der ein Planetengetriebe verwendet, sowie vom Doppelsystem mit Diesel- und Elektromotor nach dem Stand der Technik. Im Vergleich zu solchen Propellerantrieben schließen die Vor teile des Systems gemäß der Erfindung die folgenden bedeutenden Merkmale ein: - wegen eines Inverterantriebs können die Geschwindigkeit und Drehrichtung beider Propeller frei gewählt und stufenlos von Null bis zur Nenngeschwindigkeit variiert werden;
- unter allen Lastbedingungen kann die wechselseitige Drehgeschwindigkeit der Propeller so gewählt werden, daß die beste Leistung oder Vortriebskraft erreicht wird;
- das System verwendet kein Planetengetriebe oder ande res Reduktionsgetriebe, um die Geschwindigkeit in verschiedenen Richtungen zu variieren oder die Drehgeschwindigkeit der Antriebsmaschine zu ändern, um die Propeller anzupassen; mit anderen Worten, das System ist vollkommen getriebelos;
- erforderlichenfalls kann das System mit nur einem Propeller betrieben werden, d.h. irgendeinem der Propeller. Im folgenden wird der Propellerantrieb gemäß der Erfindung mit Verweis auf die beiliegende Zeichnung ausführlicher beschrieben, in der
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Konstruktion eines Propellerantriebs gemäß der Erfindung ist,
Figur 2 eine erste beispielhafte Ausführungsform eines Motors als Teil des Propellerantriebs gemäß der Erfindung zeigt, und
Figur 3 eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Motors als Teil des Propellerantriebs gemäß der Erfindung zeigt.
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Propellerantriebs gemäß der Erfindung. Dieser Propellerantrieb weist einen ersten und zweiten Propeller 1 und 2 auf, die hintereinander angeordnet sind und sich koaxial drehen. Die Propeller 1 und 2 werden durch Wellen 3 bzw. 4 gedreht, wobei die Welle 4 hohl ist und koaxial mit der Welle 3 verläuft. Diese Wellen 3 und 4 werden wiederum durch Elektromotoren 5 und 6 gedreht. Die Welle des Motors 5 verläuft durch den Rotor des Motors 6, um dessen Welle 3 mit der Welle 4 des Motors 6 koaxial anzuordnen. Die Drehgeschwindigkeit der Motoren 5 und 6 wird durch Drehzahlmesser T1 und T2 überwacht. Die Motoren 5 und 6 werden vom Energieversorgungsnetz N, das z.B. diesel-elektrisch aufgebaut sein kann, durch In verter 7 und 8 gespeist. Mittels der Inverter kann die Drehrichtung und -geschwindigkeit der Motoren 5 und 6 frei zwischen Null und der Nenngeschwindigkeit gewählt werden. Die Inverter 7 und 8 werden durch eine Steuereinheit 9 gesteuert, die von den Drehzahlmessern T1 und T2 Informationen über die Drehgeschwindigkeit der Motoren 5 und 6 empfängt. Die Steuereinheit 9 kann die wechselseitigen Drehgeschwindigkeiten und -richtungen der Motoren 5 und 6 optimieren, um zu jedem Betriebsmodus zu passen. Informationen über den gewünschten Modus werden von der mit der Steuereinheit 9 verbundenen Steuereinrichtung 13 an die Steuereinheit 9 gegeben.
Der Propellerantrieb gemäß der Erfindung liefert eine sehr gute Beherrschung verschiedener Schadensumstände. Falls z.B. die Lager irgendeiner Welle beschädigt sind, kann die durch das beschädigte Lager gehaltene Welle entweder in einer Stellung elektrisch verriegelt werden, oder ihre Drehgeschwindigkeit kann beschränkt werden. Das elektrische Verriegeln ermöglicht auch eine einfache Durchführung einer mechanischen Verriegelung. Eine der Wellen kann, falls ihre Lager unbeschädigt sind, mit der gewünschten Geschwindigkeit in der gewünschten Richtung gedreht werden. Falls das gegenläuf ige Lager, an dem beide Wellen abgestützt sind, beschädigt ist, kann die Differenz in den Drehgeschwindigkeiten zwischen den Wellen so eingestellt werden, daß die Lager noch arbeiten. In diesem Fall ist es auch möglich, eine Prozedur zu verwenden, in der die Wellen elektrisch verriegelt werden, um mit der gleichen Geschwindigkeit in der gleichen Richtung zu drehen. Die Wellen können auch mechanisch verriegelt werden, um gemeinsam zu drehen. Die Konstruktion und Bemessung dieses mechanischen Verriegeins wird durch die Tatsache erheblich vereinfacht, daß die Drehung beider Motoren unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Falls der Frequenzwandler oder das Steuersystem irgendeines Motors defekt ist, kann außerdem ein Motor noch mit der gewünschten Geschwindigkeit in der gewünschten Richtung gedreht werden, und die Welle des anderen Motors kann man (durch den Einfluß seines Propellers) mit ihm frei drehen lassen, oder sie kann in einer Stellung mechanisch verriegelt werden.
Figur 2 zeigt die wechselseitige Kopplung der Motoren 5 und 6, die im Propellerantrieb gemäß der Erfindung enthalten sind, in einem Fall, in dem die Motoren zwei getrennte Elektromotoren 5 und 6 sind. In diesem Fall verläuft die Welle 3 des Motors 5 nach einer Flanschverbindung 14 durch einen Rotor 10 des Motors 6 koaxial mit diesem Rotor 10 und der zugeordneten Hohlwelle 4. Die Drehung der Welle 3 wird durch einen am bezüglich des Propellers 1 gegenüberliegenden Ende angeordneten Drehzahlmesser T1 überwacht. Die Drehung der Welle 4 wiederum wird durch einen Drehzahlmesser T2 überwacht, der auf dem Abschnitt der Welle 4 zwischen dem Motor 6 und dem Propeller 2 relativ nah am Motor 6 so angeordnet ist, daß er der Außenfläche der Welle 4 folgt.
Wie in Figur 2 dargestellt ist, ist die Welle 3 durch ein Lager 15 abgestützt, das nahe dem vom Propeller 1 abgewandten Ende angeordnet ist und das auch den axialen Schub des Propellers 1 aufnimmt. Die Welle 3 wird ferner durch ein Lager 25 an der Stelle, an der die Welle 3 aus dem Motor 5 herauskommt, und auch durch ein Lager 16 nahe dem anderen Ende der Welle abgestützt Das Lager 16 wird dann durch die Innenfläche der Welle 4 gehalten. An der entsprechenden Stelle weist die Welle 4 ein Lager 17 auf, das durch einen geeigneten Lagerblock 18 gehalten wird. Die Welle 4 wird ferner durch ein Lager 19 gehalten, das auch den axialen Schub des Propellers 2 aufnimmt und an der Stelle angeordnet ist, an der die Welle 4 aus dem Motor 6 herauskommt. Am vom Propeller 2 abgewandten Ende wird die Welle 4 durch ein Lager 26 gehalten.
Zum Abmontieren der Propeller 1 und 2 während einer Wartung und zum Loskuppeln der Wellen 3 und 4 ist eine Flanschverbindung 20 auf dem Abschnitt der Wellen zwischen dem Lagerblock 18 und dem Motor 6 zum Loskuppeln der Hohiwelle 4 und eine Kupplung 21 zum Loskuppeln der Welle 3 vorgesehen. Diese Kupplung 21 kann z.B. eine mechanische Kompressionskupplung sein, die durch unter Druck gesetztes Fluid gelöst werden kann.
Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Motors, der im Propellerantrieb gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Dieser Motor ist eine Art Doppelmotor, der Doppelrotoren und -statoren innerhalb des gleichen Gehäuses 11 aufweist. In diesem Fall weist der Elektromotor 5 einen Rotor 22 und Stator 23 auf, und der Motor 6 weist einen Rotor und einen Stator 24 auf. Bis auf die Doppelkonstruktion des Motors entspricht die in Figur 3 gezeigte Konstruktion ansonsten der in Figur 2 dargestellten Konstruktion, und somit weisen ihre entsprechenden Teile auch die gleichen Ziffern wie in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform auf.
Im in Figur 3 dargestellten Doppelmotor wird die Welle 3 des ersten Motors 5 durch einen Lagerblock 15 gehalten, der nahe dem vom Propeller 1 abgewandten Wellenende angeordnet ist und der auch den axialen Schub des Propellers 1 aufnimmt. Die Welle wird ferner durch ein Lager 12 in bezug auf den Rotor 10 des zweiten Motors 6 und auch durch ein Lager 16 nahe dem Propeller 1 auf der Innenfläche der Welle 4 des Motors 6 abgestützt Das vom Propeller 2 abgewandte Ende der Welle 4 ist ebenfalls durch ein Lager 12 an der Welle 3 abgestützt. Außerdem wird die Welle 4 durch ein Lager 19 an der Stelle gehalten, an der sie aus dem Motor 6 herauskommt, und dieses Lager nimmt auch den axialen Schub des Propellers 2 auf, und in gleicher Weise wie in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform weist die Welle 4 ein Lager 17 auf, das durch einen Lagerblock 18 an der Stelle gehalten wird, an der die Welle 3 durch ein Lager 16 an der Innenfläche der Welle 4 abgestützt ist. Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ermöglicht die Verwendung von Doppelmotoren eine effiziente und gleichmäßige Abstützung der Wellen über ihre gesamte Länge und auch eine kompakte Konstruktion des Motors. Wegen des gemeinsamen Gehäuses wird der Doppelmotor auch ein wenig leichter als zwei separate Motoren.
Im vorstehenden ist der Propellerantrieb gemäß der Erfindung allein durch zwei beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, und es versteht sich, daß verschiedene bauliche Änderungen an ihm vorgenommen werden können, besonders hinsichtlich des Steuersystems der Elektromotoren und ihrer mechanischen Konstruktion, wie z.B. der Lager und Abstützung der Wellen und der Anordnung und Konstruktion verschiedener Kupplungen oder Flanschverbindungen, ohne vom durch die beigefügten Ansprüche definierten Umfang abzuweichen.

Claims

1. Propellerantrieb für ein Schiff oder dergleichen mit: einem ersten Elektromotor (5), der mit einer Welle (3) verbunden ist, auf der ein erster Rotor (22) und ein erster Propeller (1) angeordnet sind,

einem zweiten Elektromotor (6), der mit einer Hohlwelle (4) verbunden ist, auf der ein zweiter Rotor (10) und ein zweiter Propeller (2) angeordnet sind, wodurch der erste und zweite Elektromotor (5, 6) hintereinander angeordnet sind und die Welle (3) des ersten Motors (5) koaxial durch den Rotor (10) des zweiten Motors (6) und durch die zugeordnete Hohiwelle (4) verläuft, wobei der erste und zweite Propeller (1, 2) hintereinander angeordnet sind,

einer ersten und zweiten Energieversorgung (7, 8) zum Zuführen elektrischer Energie zum ersten bzw. zweiten Motor (5, 6), und

einer Steuereinheit (9) zum Steuern der ersten und zweiten Energieversorgung (7, 8) und durch sie des ersten und zweiten Elektromotors (5, 6), um die Motoren entweder in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen zu drehen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste und zweite Energieversorgung einen ersten und zweiten Freguenzwandler (7, 8) aufweisen, und die Steuereinheit Einrichtungen zum Steuern der Frequenzwandler (7, 8) aufweist, so daß die Drehrichtung der Motoren (5, 6) und ihre Drehgeschwindigkeit von Null bis zur Nenngeschwindigkeit so gewählt werden können, daß die Motoren unabhängig voneinander angetrieben werden können.

2. Propellerantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen in der Steuereinheit zum Steuern der Freguenzwandler (7, 8) Einrichtungen zum elektrischen Vermeiden der Drehung irgendeines der Propeller aufweisen.

3. Propellerantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Elektromotor (5, 6) ein gemeinsames Gehäuse (11) ha ben.

4. Propellerantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) des ersten Motors (5) durch ein Lager (12) gegen den Rotor (10) des zweiten Motors (6) abgestützt ist.