EP1336561B1 - Antrieb für Wasserfahrzeuge - Google Patents

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EP1336561B1
EP1336561B1 EP03002882A EP03002882A EP1336561B1 EP 1336561 B1 EP1336561 B1 EP 1336561B1 EP 03002882 A EP03002882 A EP 03002882A EP 03002882 A EP03002882 A EP 03002882A EP 1336561 B1 EP1336561 B1 EP 1336561B1
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EP
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propeller
profile
thickness
shaft
hull
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EP03002882A
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Peter Stein
Lutz MÜLLER
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Schottel GmbH and Co KG
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Schottel GmbH and Co KG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/08—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers of more than one propeller
    • B63H5/10—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers of more than one propeller of coaxial type, e.g. of counter-rotative type

Definitions

  • the present invention relates to a drive device for watercraft that propel the watercraft, but possibly also changing the direction of travel of the watercraft, that is, its control can serve, wherein in connection with the invention in particular to a change of direction of approximately +/- 10 ° in relation to the main direction of travel is thought.
  • the drive device has a housing on, the gondola-like with an essentially horizontal longitudinal axis outside the actual watercraft under the Watercraft hull is arranged.
  • a drive motor In the underwater case can a drive motor or it can be part of it Drive.
  • the drive motor can, for example According to DE 196 48 417 be an electric motor, part of a drive can be, for example according to DE 44 40 738, a transmission, the Drive power from an engine arranged in the watercraft is fed.
  • the drive motor or part of the drive is with a drive shaft with at least one drive propeller connected to one end of the case outside of the housing is arranged.
  • a shared one if necessary Drive shaft can also on both ends of the housing be led out of this to at least one propeller to be driven at each end of the housing outside it.
  • the storage of the underwater housing on the hull of the watercraft serves a shaft with a vertical longitudinal axis, the lower end firmly with the underwater housing and its upper end is connected to the hull of the watercraft.
  • the aforementioned shaft between the underwater case and the hull of the watercraft has in Cross section about the shape of a wing around the incoming Resist water as little as possible and laminar, i.e. flows around with the least possible vortex formation to become.
  • the present invention is concerned with training of the aforementioned shaft preferably for one in principle all-round swiveling drive for watercraft with a speed range above about 24 Kn in such a way that the Cavitation hazard on the shaft and on at least one propeller is small, pressure fluctuations are kept low and Thrust and torque fluctuations to the smallest extent possible be introduced into the forest.
  • Such drives which are arranged in the underwater housing Include electric motor, have a practically unlimited Range of services. You can therefore in ships with high speed requirements such as RoRo ships and ferries are used. The trend is going on with these ships at speeds of 24 Kn and beyond. For these applications result in special requirements for the Design of the propellers and the entire system including inclusion of the shaft between the underwater housing and the hull of the Watercraft.
  • the invention results in the use of relatively large radii at the leading edge of the individual profile sections of the housing shaft, and a bumpless flow over a large angle of attack of the profile is ensured. Strong local accelerations and vacuum peaks are reduced. The risk of cavitation decreases. The risk of detachment is reduced by a moderate pressure increase in the direction of the trailing edge of the profile.
  • the ratio of the local thickness to the maximum thickness should not be less than in the table according to the invention cited below. A ratio of the maximum thickness to the profile length in the range from 0.23 to 0.30 represents a suitable compromise. The risk of cavitation is reduced without unnecessarily increasing the shaft resistance. Thickness distribution t / tmax: x / L t / tmax 0.05 0.44 0.10 0.62 0.15 0.76 0.20 0.84 0.25 0.91 0.30 0.96
  • this deals with the problem of avoiding an additional delay of the Flow through the shaft of the underwater case.
  • the propeller in the area of the hub and external cuts is relieved.
  • the cuts (0.5 - 0.9 r / R) are at a greater distance from the propeller plane. Due to the greater local stress on these leaf cuts, a delay in the flow there leads to cavitation more quickly.
  • the table below according to the further embodiment of the invention shows the minimum distance required according to the invention depending on the propeller diameter. Distance of the propeller planes to the shaft: r / R s / D 0.5 0.20 0.6 0.23 0.7 0.25 0.8 0.27 0.9 0.29 1.0 0.30

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für Wasserfahrzeuge, die dem Vortrieb des Wasserfahrzeugs, gegebenenfalls aber auch der Änderung der Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs, also dessen Steuerung dienen kann, wobei im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere an eine Richtungsänderung von etwa +/- 10° gegenüber der Hauptfahrtrichtung gedacht ist. Die Antriebsvorrichtung weist ein Gehäuse auf, das gondelartig mit im wesentlichen horizontaler Längsachse außerhalb des eigentlichen Wasserfahrzeugs unter dem Wasserfahrzeugrumpf angeordnet ist. In dem Unterwassergehäuse kann sich ein Antriebsmotor oder es können in ihm Teile eines Antriebes sich befinden. Der Antriebsmotor kann beispielsweise gemäß DE 196 48 417 ein Elektromotor sein, Teil eines Antriebs kann beispielsweise gemäß DE 44 40 738 ein Getriebe sein, dem Antriebsleistung aus einem im Wasserfahrzeug angeordneten Motor zugeführt wird. Der Antriebsmotor bzw. der Teil des Antriebs ist mit einer Antriebswelle mit mindestens einem Antriebspropeller verbunden, der am einen Ende des Gehäuses außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Eine gegebenenfalls geteilte Antriebswelle kann auch an beiden Enden des Gehäuses aus diesem herausgeführt sein, um mindestens einen Antriebespropeller an jedem Gehäuseende außerhalb desselben anzutreiben. Der Lagerung des Unterwassergehäuses am Rummpf des Wasserfahrzeugs dient ein Schaft mit vertikaler Längsachse, dessen unteres Ende fest mit dem Unterwassergehäuse und dessen oberes Ende mit dem Rumpf des Wasserfahrzeugs verbunden ist. Ist die Verbindung zwischen oberem Schaftende und Rumpf des Wasserfahrzeugs in bekannter Weise so ausgebildet, dass der Schaft um seine Längsachse schwenk- bzw. drehbar ist, so kann die Richtung des mit dem mindestens einen Propeller erzeugten Vortriebes verändert werden und der Antrieb dient nicht nur dem Vortrieb, sondern auch der Bestimmung der Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs. Der vorerwähnte Schaft zwischen dem Unterwassergehäuse und dem Rumpf des Wasserfahrzeuges hat im Querschnitt etwa die Form eines Tragflügels, um dem anströmenden Wasser einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen und laminar, d.h. mit möglichst geringer Wirbelbildung umströmt zu werden.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich nun mit der Ausbildung des vorgenannten Schaftes vorzugsweise für einen grundsätzlich rundum schwenkbaren Antrieb für Wasserfahrzeuge mit einem Geschwindigkeitsbereich oberhalb von etwa 24 Kn derart, dass die Kavitationsgefahr am Schaft und am zumindest einen Propeller gering ist, wobei Druckschwankungen gering gehalten sind und Schub- und Drehmomentschwankungen in möglichst geringem Ausmaß in die Gesamtstruktur eingeleitet werden.
Derartige Antriebe, die einen im Unterwassergehäuse angeordneten Elektromotor einschließen, verfügen über ein praktisch unbegrenztes Leistungsspektrum. Sie können deshalb in Schiffen mit hohen Geschwindigkeitsanforderungen wie z.b. RoRo-Schiffen und Fähren eingesetzt werden. Der Trend geht bei diesen Schiffen zu Geschwindigkeiten von 24 Kn und darüber hinaus. Für diese Anwendungen ergeben sich spezielle Anforderungen an die Auslegung der Propeller und der gesamten Anlage unter Einschluß des Schaftes zwischen Unterwassergehäuses und Rumpf des Wasserfahrzeugs.
Im Gegensatz zu einem konventionell angetriebenen Schiff mit einem vom Antrieb unabhängigen Ruder zur Kurskorrektur übernimmt bei einem wie oben definiert zur Kurskorrektur schwenkbaren Antrieb, einem sogenannten PoD, dieser Antrieb die Aufgabe eines Vortriebs- und Steuerorganes. Bei der Steuerung eines Wasserfahrzeugs mittels einer solchen Anlage zum Kurshälten wie aber auch zur Kurskorrektur treten im normalen Schiffsbetrieb Steuerwinkel von +/- 10° auf. Durch diese Anstellung des Antriebes gegen die Strömung durch die tangentiale Komponente in der Strömung hinter dem Propeller kommt es radial veränderlich zu unterschiedlichen Anströmwinkeln am Schaft des PoD und es ist ein Ziel der Erfindung, Maßnahmen vorzuschlagen, die hohen Schiffsgeschwindigkeiten und relativ großen Anstellwinkeln am Schaftprofil Rechnung tragen, um Kavitation und Ablösen der Strömung weitestgehend zu vermeiden, weil bisher verwendete Schaftgeometrien diese Anforderungen nicht erfüllen können.
Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass es im Nachstrom eines Wasserfahrzeugs, insbesondere also eines Schiffes zu einer Verringerung der Anströmgeschwindigkeit kommt. Ein ähnlicher Effekt tritt in den Bereichen vor bzw. hinter dem Schaft eines Antriebes mit gondelartigem Unterwassergehäuse auf. Die Strömung wird auch im Bereich hinter dem Gehäuseschaft verzögert. Beide Druckfelder werden superponiert.
In Bereichen starker Verzögerung kommt es durch die deutliche Betriebspunktverschiebung des Propellers zum Auftreten von Kavitation. Diese kann zu Erosionsschäden am Propellerblatt führen. Das Druckschwankungsniveau wird deutlich angehoben. Gleichzeitig führt das Auftreten von großen Geschwindigkeitsgradienten zu Schub- und Drehmomentschwankungen, die in die Struktur eingeleitet werden. Insbesondere bei Schiffen mit hohen Anforderungen (z.B. Fähren) werden hohe Druckschwankungswerte und Kavitation nicht akzeptiert. Auch diesem Problem soll mit der vorliegenden Erfindung Rechnung getragen werden.
Mit der Erfindung ergibt sich die Verwendung relativ großer Radien an der Eintrittskante der einzelnen Profilschnitte des Gehäuseschaftes und es wird eine stoßfreie Anströmung über einen großen Anstellwinkelbereich des Profils gewährleistet. Starke lokale Beschleunigungen und Unterdruckspitzen werden verringert. Die Kavitationsgefährdung sinkt. Die Gefahr von Ablösungen wird durch einen moderaten Druckanstieg in Richtung der Profilhinterkante verringert. Das Verhältnis der lokalen Dicke zu maximalen Dicke sollte nicht kleiner sein als in der nachfolgend zitierten erfindungsgemäßen Tabelle. Ein Verhältnis der maximalen Dicke zur Profillänge im Bereich von 0,23 bis 0,30 stellt einen zweckmäßigen Kompromiß dar. Die Kavitationsgefahr wird verringert ohne den Schaftwiderstand unnötig zu vergrößern.
Dickenverteilung t/tmax:
x/L t/tmax
0,05 0,44
0,10 0,62
0,15 0,76
0,20 0,84
0,25 0,91
0,30 0,96
In der weiteren Ausbildung der Erfindung befaßt sich diese mit dem Problem der Vermeidung einer zusätzlichen Verzögerung der Strömung durch den Schaft des Unterwassergehäuses. Hierzu wird ein entsprechend großer Abstand der Ebene der Propellererzeugenden (des Propellerspitzenkreises) zur Vorder- bzw. Hinterkante des Schaftprofils gewählt. Dieser wurde unter Berücksichtigung der Belastungsverteilung am Propeller ermittelt.
Aus Kavitationsgründen wird der Propeller im Bereich der Nabe und Außenschnitte entlastet. Die Schnitte (0,5 - 0,9 r/R) zweisen einen größeren Abstand zur Propellerebene auf. Aufgrund der größeren lokalen Belastung an diesen Blattschnitten führt eine Verzögerung der Strömung dort schneller zu Kavitation. In der nachfolgenden Tabelle gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung ist der erfindungsgemäß erforderliche Mindestabstand in Abhängigkeit vom Propellerdurchmesser angegeben.
Abstand der Propellerebenen zum Schaft:
r/R s/D
0,5 0,20
0,6 0,23
0,7 0,25
0,8 0,27
0,9 0,29
1,0 0,30
Die in den beiden vorstehenden und in den Patentansprüchen zitierten Tabellen gemäß der Erfindung verwendeten Parameter ergeben sich aus der einzigen Zeichnung.
Diese stellt einen erfindungsgemäßen Antrieb dar, wie er aber an sich bekannt ist. Am Boden 1 des Rumpfes 2 eines Wasserfahrzeugs ist der Schaft 3 eines Unterwassergehäuses 4 an seinem oberen Ende gelagert. Die Verbindung zwischen oberem Schaftende und Rumpf des Wasserfahrzeugs kann starr sein, vorzugsweise ist sie aber in an sich bekannter Weise so als Drehlager ausgebildet, dass Schaft 3 und Gehäuse 4 um die Längsachse 5 des Gehäuseschaftes 3 endlos, d.h. um 360° geschwenkt werden können. Das Schaftprofil ist als Linienzug 6 eingezeichnet. Mit dem unteren Ende des Schaftes 3 ist das Unterwassergehäuse 4 starr verbunden. Es nimmt in an sich bekannter Weise einen Antriebsmotor auf, der vorzugsweise ein Elektromotor ist, dem Energie durch Kabel zugeführt wird, die durch den Schaft 3 hindurch in das Innere des Rumpfes geführt sind. In dem gondelartigen Unterwassergehäuse 4 kann sich aber auch ein Verteilergetriebe befinden, dem die Eingangsenergie über eine durch den Schaft 3 geführte Antriebswelle von einem im Rumpf 2 des Wasserfahrzeugs angeordneten Motor zugeführt wird. In beiden Fällen wird eine um die Längsachse 7 des Unterwassergehäuses 4 drehende Antriebswelle angetrieben, die am einen oder an beiden Enden aus dem Unterwassergehäuse herausgeführt ist und am aus dem Unterwassergehäuse herausgeführten Ende drehfest einen Propeller trägt oder an beiden aus dem Unterwassergehäuse 4 herausgeführten Enden drehfest zumindest je einen Propeller 8, 9 trägt. Der oder die Propeller dienen dem Vortrieb des Wasserfahrzeugs, also insbesondere des Schiffes, wobei durch Drehen von Schaft und Gehäuse um die Achse 5 die Richtung des geförderten Wasserstrahles und damit der Kurs des Wasserfahrzeuges geändert werden können. Die zur Kennzeichnung der Erfindung eingezeichneten Parameter sind die folgenden:
tmax
= die maximale Dicke des Tragflügelprofils, wie es durch den Linienzug 6 gekennzeichnet ist und der Querschnitt des Schaftes 3 ist, dessen Vorderkante und dessen Hinterkante konkav bogenförmig sind,
t
= die aktuelle Profildicke des Profils in ausgewählten Bereichen,
x
= der Abstand des ausgewählten Bereichs von dem in der Hauptfahrtrichtung vorderen, nasenför migen Ende des Profils,
L
= die Gesamtlänge des Profils,
s
= der Abstand der Propellerhauptebene P.E. des Spitzenkreises vom ausgewählten Schaftbe reich,
r
= der Abstand des ausgewählten Schaftbereichs von der Drehachse des Propellers,
R
= der Radius des Propellerspitzenkreises,
D
= der Durchmesser des Propellerspitzenkreises.
Zusammenfassend kann danach die Problematik der Erfindung wie folgt beschrieben werden.
Für Wasserfahrzeug/Schiffsgeschwindigkeiten über 24 Kn ergeben sich spezielle Anforderungen an die Gestaltung der Antriebe. Diese resultieren aus den Forderungen des Betreibers nach einem niedrigen Druckschwankungsniveau und geringer Geräuschbelastung. Gleichzeitig sind Beschädigungen der Anlage durch erosive Kavitation an Schaft und Propellern zu vermeiden. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bieten die Möglichkeit, Antriebe in diesem Geschwindigkeitsbereich unter Berücksichtigung dieser Forderungen betreiben zu können. Die sich ergebende Möglichkeit der Verwendung großer Radien an der Eintrittskante des Schaftes gewährleitet eine stoßfreie Anströmung über einen großen Anstellwinkelbereich. Die Schaftprofile weisen ein maximales Dicken/Längenverhältnis von 0,3 auf. Ein bestimmter Mindestabstand zwischen der Propellerebene und dem Schaft wird eingehalten.

Claims (2)

  1. Vorrichtung zum Antrieb eines Wasserfahrzeugs und vorzugsweise auch zur Korrektur der Vortriebsrichtung des Wasserfahrzeugs vorzugsweise im Bereich von etwa +/- 10°, wobei die Antriebsvorrichtung ein Gehäuse aufweist, das gondelartig mit im wesentlichen horizontaler Längsachse außerhalb des Wasserfahrzeugrumpfes unterhalb des Rumpfes angeordnet ist, am einen Ende außerhalb des Gehäuses im umgebenden Wasser drehend einen Propeller, innerhalb des Gehäuses zumindest Teile des Antriebes des Propellers aufweist und durch einen Schaft mit im wesentlichen vertikaler Längsachse mit dem Wasserfahrzeugrumpf verbunden ist, wobei das untere Ende des Schafts fest mit dem gondelartigen Gehäuse, das obere Ende des Schafts vorzugsweise um dessen Längsachse schwenkbar am Wasserfahrzeugrumpf gelagert ist, wobei der Schaft im Querschnitt etwa die Form eines Tragflügels hat, d.h. in der Regelanströmrichtung am vorderen Ende eine abgerundete Nase bildet, nach der die Profildicke zunächst ansteigt, um nach einer maximalen Dicke in einer Endspitze auszulaufen,
    dadurch gekennzeichnet, dass beginnend mit der Profilnase die Beziehung zwischen dem Längenverhältnis (x/L) zwischen aktuellem Abstand (x) von der Profilnase und der gesamten Profillänge (L) einerseits und dem Dickenverhältnis (t/tmax) zwischen aktueller Profildicke (t) und maximaler Profildicke (tmax) wie folgt ist Dickenverteilung t/tmax: x/L t/tmax 0,05 0,44 0,10 0,62 0,15 0,76 0,20 0,84 0,25 0,91 0,30 0,96.
  2. Vorrichtung zum Antrieb eines Wasserfahrzeugs nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung zwischen dem Verhältnis (r/R) zwischen aktuellem Propellerdurchmersser (r) und maximalem Propellerdurchmesser (R) einerseits und dem Verhältnis (s/D) zwischen dem Abstand (s) des Propellerspitzenkreises von der vorderen Kante des Schaftes und dem maximalen Durchmesser (D) des Propellers anderseits wie folgt ist. Abstand der Propellerebenen zum Schaft: r/R s/D 0,5 0,20 0,6 0,23 0,7 0,25 0,8 0,27 0,9 0,29 1,0 0,30
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