EP1355822B1

EP1355822B1 - Schiffsantrieb

Info

Publication number: EP1355822B1
Application number: EP02706725A
Authority: EP
Inventors: Thomas SCHÜLLER
Original assignee: Schmitt Kugelantriebe GmbH
Current assignee: Schmitt Kugelantriebe GmbH
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: ZA200305937B; US20060046587A1; KR100521519B1; PL201796B1; PL367784A1; NO20033420D0; ATE272529T1; US7040941B2; DE50200751D1; ES2225759T3; EE200300358A; HK1060337A1; DE10104680A1; EP1355822A1; NO20033420L; NO336075B1; AU2002240916B2; KR20030096253A; CN1496317A; WO2002062658A1

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Antriebe von Wasserfahrzeugen und betrifft einen Schiffsantrieb, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie zB. aus US-A-4 004 544 bekannt.

Wie in sämtlichen Bereichen der Technik ist man auch im Schiffsbau bemüht, den Wirkungsgrad eines Schiffsantriebes zu verbessern. Darüber hinaus besteht ein zunehmendes Bedürfnis, schnelle Schiffe insbesondere für die Binnenschifffahrt bereitzustellen, die bei schneller Fahrt eine möglichst geringe Wellenbildung verursachen. Es hat sich gezeigt, dass am Ufer aufschlagende Wellen nicht nur die Uferbefestigung dauerhaft beeinträchtigen, sondern auch am Ufer befindliche Biotope schädigen und insbesondere das Brutverhalten von in ufernahen Bereichen brütenden Vögeln stören.

Darüber hinaus besteht insbesondere in der Binnenschifffahrt das Problem, die Verunreinigung durch Schmierstoffe zu vermeiden, die zur Schmierung von drehenden Teilen eines Schiffsantriebes erforderlich sind, von dort jedoch ins Wasser gelangen können, sofern diese Teile beim Betrieb des Schiffsantriebes unterhalb der Wasseroberfläche liegen. Dieses Problem besteht bei nahezu allen bekannten motorisch angetriebenen Schiffsantrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Schiffsantrieb mit gutem Wirkungsgrad anzugeben, der auch den obigen Problemen Rechnung trägt.

Zur Lösung des obigen Problems wird ein Schiffsantrieb der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 ausgebildet.

Beim dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb ist eine Vortriebseinrichtung, beispielsweise ein drehbar angetriebenes Rad oder aber ein angetrieben umlaufendes Band vorgesehen. Diese umlaufende Vortriebseinrichtung ist an ihrer äußeren Umfangsfläche von einer Abdeckung umgeben. Die Abdeckung umgibt die Vortriebseinrichtung jedoch nicht voll umfänglich. Vielmehr kommt die Vortriebseinrichtung unterhalb der Wasserlinie des anzutreibenden Schiffs direkt mit dem umgebenden Wasser in Berührung. Der Abstand zwischen der Abdeckung und der Vortriebseinrichtung ist bei dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb derart gewählt, dass beim Betrieb der Vortriebseinrichtung das Schiff umgebendes Wasser von der Vortriebseinrichtung in den Spalt zwischen der Stirnseite der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung unter Verdrängung von Luft aus dem Spalt gefördert wird, zumindest für den Fall, der - wie nachfolgend noch ausführlicher dargelegt wird - als bevorzugte Ausführungsform anzusehen ist und bei der die Abdeckung unabhängig vom Ladezustand eines Schiffes bis unter die Wasserlinie reicht und die Oberkante der Abdeckung unabhängig vom Ladezustand des Schiffes oberhalb der Wasserlinie angeordnet ist, mit anderen Worten vor dem Betrieb der Vortriebseinrichtung zwischen der Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung zumindest auch Luft ist.

Beim Betrieb der Vortriebseinrichtung wird das von der Vortriebseinrichtung in den Spalt zwischen der Stirnseite der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung verschlepptes Wasser in Umlaufrichtung mit der Vortriebseinrichtung mitgeschleppt. Somit bildet sich beim Betrieb der Vortriebseinrichtung in dem Spalt ein Strömungskanal aus, in dem das Wasser mit dem Drehsinn der Vortriebseinrichtung gefördert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde von dem Erfinder hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit in einem Pfahlzugversuch bewertet. Bei einem derartigen Versuch wird das Schiff bzw. ein Modell unter Zwischenschaltung einer Kraftmessdose an einem Pfahl befestigt und es wird die Zugkraft pro Leistungseinheit ermittelt. Bei herkömmlichen Propellern, die gemeinhin auch als Schiffsschrauben bezeichnet werden, kann in einem derartigen Pfahlzugversuch eine Leistungsausbeute von etwa 0,023 kg/W ermittelt werden. Demgegenüber zeigte sich mit dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb eine maximale Leistung von 0,054 kg/W. Die maximale Leistung wurde mit dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb dann erreicht, wenn der Strömungskanal mit Wasser gefüllt war. Der erfindungsgemäße Schiffsantrieb bietet danach gegenüber den vorbekannten Schiffsantrieben einen wesentlich höheren Wirkungsgrad.

Darüber hinaus haben praktische Versuche gezeigt, dass bei gleicher Fahrleistung, d.h. gleicher Geschwindigkeit des Schiffsmodells, mit dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb eine wesentlich geringere Heckwelle entwickelt wurde als mit herkömmlichem Propellerantrieb, was der Anforderung nach geringerer Wellenbildung, insbesondere bei Binnenschiffen Rechnung trägt. Der erfindungsgemäße Schiffsantrieb lässt sich aber nicht nur bei Binnenschiffen wirkungsvoll einsetzen.

Wenngleich bei dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb beispielsweise eine bandförmig umlaufende Vortriebseinrichtung, die entweder auf einer Kreisbahn oder aber nach Art einer Panzerkette mit zwei gegenüberliegenden Linearabschnitten und zwei gegenüberliegenden Halbkreisabschnitten umlaufen kann, vorgesehen sein kann, die sowohl außerhalb als auch innerhalb mit Abstand zu einer Gehäusewandung in einem wasserführenden Kanal angeordnet ist, wird zur konstruktiven Vereinfachung des Schiffsantriebs vorgeschlagen, die Antriebseinrichtung mit einer umfänglich geschlossenen Umfangsfläche auszubilden. In diesem Fall befindet sich in Vortriebsrichtung umlaufendes Wasser in radialer Richtung der Vortriebseinrichtung ausschließlich zwischen derer äußerer Umfangsfläche und der Abdeckung.

Ein möglichst rascher Aufbau eines das Wasser in entgegengesetzter Richtung zur Vortriebsrichtung fördernden Strömungskanals nach Anlaufen der Vortriebseinrichtung wird dadurch erzielt, dass der Strömungskanal seitlich eng begrenzt ist. Hierzu kann die Vortriebseinrichtung an ihrer Umfangsfläche eine entsprechende Profilierung aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird jedoch zur Vereinfachung der konstruktiven Ausgestaltung des Schiffsantriebes vorgeschlagen, die Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung seitlich durch die Umfangsfläche überragende, nahezu bis zur Abdeckung reichende Begrenzungselemente einzufassen. Diese Begrenzungselemente können entweder gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wie die Abdeckung ortsfest, beispielsweise unmittelbar an dem Schiffsrumpf oder zumindest ortsfest relativ zu dem Schiffsrumpf angeordnet sein. Alternativ wird vorgeschlagen, die Begrenzungselemente mit der umlaufenden Vortriebseinrichtung zu verbinden.

Es hat sich zur Befüllung des Strömungskanals beim Anfahren der Vortriebseinrichtung und auch im Hinblick auf den Wirkungsgrad als vorteilhaft erwiesen, an der äußeren Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung mehrere Zähne hintereinander anzuordnen.

Diese Zähne sollen so ausgestaltet sein, dass sie das Verschleppen von Umgebungswasser in den Spalt zwischen der Stirnseite der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung fördern. Mit der Zahngeometrie kann die Wirksamkeit des Schiffsantriebes bei unterschiedlichen Drehrichtungen beeinflussen lässt. Wird beispielsweise der erfindungsgemäße Schiffsantrieb als Querantrieb zur Manövrierung in einem Schiff eingesetzt, und kommt es demnach darauf an, in beiden Drehrichtungen der Vortriebseinrichtung den gleichen Wirkungsgrad zu erzielen, so werden vorzugsweise Zähne mit identisch ausgebildeten Vorder- und Hinterflanken an der Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung angeordnet.

Bei einem Schiffsantrieb mit einer als Vortriebsrichtung bevorzugten Drehrichtung ist die an der äußeren Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung ausgebildete Verzahnung vorzugsweise sägezahnartig ausgebildet, d.h. die Vorder- und die Hinterflanke der Zähne haben unterschiedliche Neigung. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die vorlaufende, radial nach außen auf die Zahnspitze gerichtete Vorderflanke mit einer geringeren Neigung auszubilden, als die sich an diese hinter der Zahnspitze anschließende und von dort radial nach innen gerichtete Hinterflanke. Die Hinterflanke kann sogar einen streng radial nach innen gerichteten Verlauf haben, d.h. nicht zu der Umfangsfläche beitragen. Anders verhält es sich bei der Vorderflanke. Durch deren rampenförmigen Verlauf soll insbesondere bei einer drehenden Vortriebsrichtung das umgebende Wasser in den Spalt zwischen der Abdeckung und der Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung gepresst werden. Die rampenförmige Neigung der Vorderflanke führt dementsprechend dazu, dass sich beim Anlaufen der Vortriebseinrichtung relativ zügig die Strömung in dem Strömungskanal ausbildet.

Es hat sich weiterhin in praktischen Versuchen als vorteilhaft herausgestellt, die Zahnspitze der Zähne in axialer Richtung gekrümmt auszubilden, wie dies gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird.

Im übrigen hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, die Vorderflanke und/oder die Hinterflanke der Zähne in axialer Richtung gekrümmt auszubilden. Schließlich ist es zu bevorzugen, die Vorder- und/oder Hinterflanke der Zähne in Umfangsrichtung konvex gekrümmt auszubilden, wobei eine Kombination der beiden vorerwähnten bevorzugten Maßnahmen, d.h. eine sphärische Ausgestaltung der Vorder- und/oder der Hinterflanke im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Schiffsantriebes und auch im Hinblick auf die Vermeidung von Wellen als vorteilhaft angesehen wird.

Wie bereits vorstehend dargelegt, ist es im Hinblick auf das Anfahrverhalten gängiger Motoren für den Schiffsantrieb zu bevorzugen, den oberen Rand der Abdeckung über der Wasserlinie des Schiffes anzuordnen und das vorderer und/oder hintere Ende der Abdeckung bis unter die Wasserlinie ragen zu lassen. Bei einer derartigen Ausgestaltung befindet sich im Ruhezustand des Schiffsantriebes in dem Spalt zwischen der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung auch Luft, die beim Anfahren der Vortriebseinrichtung zunächst durch in den Spalt mitgenommenes Wasser verdrängt wird. Solange jedoch Luft in dem Strömungskanal befindlich ist, setzt die Vortriebseinrichtung der Drehung einen verhältnismäßig geringen Widerstand entgegen, was dem geringen Anfahrmoment der gängigen Motoren zu Schiffsantrieben entgegenkommt.

Es hat sich im Hinblick auf den Wirkungsgrad als vorteilhaft erwiesen, die in dem Spalt zwischen der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung eingezogene Wassermasse mit relativ großem horizontalen Geschwindigkeitsanteil in den Spalt einzuziehen bzw. aus den Spalt heraus zu fördern. Andererseits sollte ein gewisser Umfangsabschnitt um die Vortriebseinrichtung frei mit dem umgebenden Wasser kommunizieren können. Es hat sich herausgestellt, dass ein Umschlingungswinkel der Abdeckung um die Vortriebseinrichtung von etwa 200 bis 270° zu bevorzugen ist. Auch wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, das den Einlass des Strömungskanals bildende Ende der Abdeckung mit einer nach vorne gerichteten Krümmung auszubilden und/oder das den Auslass des Strömungskanals bildende Ende der Abdeckung mit einer nach hinten gerichteten Krümmung vorzusehen. Im Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, zwischen der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung einen minimalen Spalt von 2 bis 10%, vorzugsweise 3 bis 6% des Durchmessers der umlaufenden Vortriebseinrichtung vorzusehen. Der minimale Spalt in dem vorgenannten Sinn ist bei der vorerwähnten bevorzugten Ausgestaltung mit Zähnen, deren Zahnspitzen in axialer Richtung konvex gekrümmt sind, dort gegeben, wo der Abstand zwischen der Zahnspitze und der Abdeckung am geringsten ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Abdeckung zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades vorzugsweise gegenüberliegend der Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung relativ einfach, vorzugsweise in axialer Richtung eben ausgebildet sein kann. Bei einem Rad als Vortriebseinrichtung hat die Abdeckung somit eine zylinderförmige, jedoch in einem Umfangsabschnitt offene Ausgestaltung.

Im Hinblick auf eine möglichst effektive Steuerung eines mit dem Schiffsantrieb versehenen Schiffes ist es weiterhin zu bevorzugen, die Vortriebseinrichtung senkrecht zu ihrer Drehachse um eine Steuerachse drehbar gelagert anzuordnen und ferner eine die Drehung der Vortriebseinrichtung um die Steuerachse steuernde Steuereinrichtung vorzusehen. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung kann die Fahrtrichtung durch Drehung der Vortriebseinrichtung um die Steuerachse beeinflusst werden, ohne dass an dem Schiff zusätzlich ein Ruder angeordnet werden muss. Darüber hinaus kann durch entsprechende Drehung der Vortriebseinrichtung sowohl bei Rückwärtsfahrt als auch bei Vorwärtsfahrt der maximale Wirkungsgrad der Vortriebseinrichtung genutzt werden.

Im Hinblick auf eine gute und einfache Abdichtung der Vortriebseinrichtung und gegebenenfalls eines relativ nah an der Vortriebseinrichtung angeordneten Antriebsmotors ist es zu bevorzugen, die Vortriebseinrichtung zusammen mit der Abdeckung auf einer von der Vortriebseinrichtung durchragten Lagerplatte anzuordnen, die wiederum oberseitig durch eine Haube abgedichtet ist. Die Haube umschließt dementsprechend zumindest die Vortriebseinrichtung, nicht aber einen eventuellen Motor und geschmierte Lagerungen oder dergleichen. Innerhalb der Haube und im Bereich der Vortriebseinrichtung befindet sich beim Betrieb des Schiffantriebes mitunter Wasser. Hier befinden sich jedoch keine solchen Teile, die mit Schmiermittel geschmiert werden, so dass auch innerhalb der Haube kein Schmiermittel an das umgebende Wasser abgegeben werden kann.

Bei dieser bevorzugten Weiterbildung ist die Lagerplatte in einem drehbar in dem Schiffsrumpf gelagerten, bodenseitig offenen und von der Vortriebseinrichtung durchragten Topf aufgenommen, wobei zwischen der Lagerplatte und dem Topf eine Dichtung vorgesehen ist. Diese Dichtung kann beispielsweise durch einen Faltenbalg gebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung kommt umgebendes Wasser lediglich an die Unterseite des Topfes und die Unterseite der Abdeckplatte sowie in den von der Haube abgedichteten Bereich. Eine Verschmutzung des Wassers mit Schmiermittel durch Kontakt mit geschmierten Bauteilen lässt sich somit vermeiden, beispielsweise wenn sämtliche Lagerteile einer Antriebswelle oder Drehachse von der Haube gegenüber dem Wasser abgedichtet werden.

Die vorerwähnte bevorzugte Ausgestaltung wird dadurch in bevorzugter Weise weitergebildet, dass die Haube die Abdeckung ausbildet. In diesem Fall dient der in radialer Richtung die Vortriebseinrichtung umgebende Abschnitt der Haube gleichzeitig als-Abdeckung zur Begrenzung des umfänglich die Vortriebseinrichtung umgebenden Spaltes.

Zur Kompensation von Kreiselkräften bei der Drehung der Vortriebseinrichtung in voller Fahrt ist es weiterhin zu bevorzugen, die Lagerplatte verschwenkbar an dem Topf anzuordnen, und zwar unter Zwischenschaltung wenigstens eines Neigungsdämpfers. Die beim Verschwenken der Vortriebseinrichtung um die Steuerachse entstehenden Kreiselkräfte können somit durch ein gewisses Verschwenken der Lagerplatte gegen den Widerstand des Neigungsdämpfers abgefangen werden und übertragen sich nicht unmittelbar auf den Schiffsrumpf.

Das Verhalten des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes lässt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dadurch steuern, dass eine Spalteinstelleinrichtung vorgesehen ist, die den Abstand zwischen der Vortriebseinrichtung und der Abdeckung verstellt. Durch diese Spalteinstelleinrichtung kann bei dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb die Höhe des Strömungskanals verändert werden, um beispielsweise die Menge des in dem Strömungskanal umlaufenden Wassers bei konstanter Motordrehzahl (Betriebspunkt des Antriebsmotors) zu beeinflussen. Mithin kann die Wellenausbildung am Heck des Schiffes verändert werden, ohne dass eine Änderung des Betriebspunktes des Antriebsmotors erforderlich ist.

Zur Anpassung des Schiffsantriebes an unterschiedliche tiefe Fahrrinnen, insbesondere bei der Binnenschifffahrt wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, eine die Antriebseinrichtung zusammen mit der Abdeckung höhenverstellende Eintauchtiefenverstelleinrichtung vorzusehen. Durch diese Verstelleinrichtung kann die Eintauchtiefe der Antriebseinrichtung in das umgebende Wasser beeinflusst werden, ohne dass gleichzeitig auch der den Strömungskanal ausbildende Spalt verändert wird. Eine derartige Eintauchtiefenverstelleinrichtung ist insbesondere dann zu bevorzugen, wenn die Antriebseinrichtung die Unterseite des Schiffsrumpfes überragt. Insbesondere für den Antrieb von Schiffen in sehr seichten Gewässern oder solchen Schiffen, die mit dem Tiedenhub trocken fallen, deren Antrieb jedoch dabei nicht Schaden nehmen soll, ist es durchaus denkbar, die Antriebseinrichtung auch derart vorzusehen, dass sich die Drehachse in vertikaler Richtung erstreckt, d.h. die Vortriebseinrichtung die Bordwand durchragt.

Bei der üblichen Anordnung der Vortriebseinrichtung an der Unterseite des Schiffsrumpfes ist es im Hinblick auf einen möglichst guten Auftrieb des Schiffes insbesondere bei schnell fahrenden Vollgleitern zu bevorzugen, an den Stirnseiten der Vortriebseinrichtungen jeweils wenigstens einen, vorzugsweise sich in axialer Richtung der Drehachse von der Vortriebseinrichtung verjüngenden Auftriebskörper vorzusehen. Ein sich derart verjüngender Auftriebskörper schließt sich vorzugsweise unmittelbar an die Stirnseite der Vortriebseinrichtung an und hat in diesem Bereich einen etwa den Durchmesser der Vortriebseinrichtung entsprechenden Durchmesser. Aus strömungsdynamischen Gründen verjüngt sich der Durchmesser in axialer Richtung der Drehachse, wobei der Auftriebskörper vorzugsweise kegelförmig mit einer benachbart zu der Vortriebseinrichtung zunächst konvex gekrümmten und anschließend geraden oder aber konkav gekrümmten Außenfläche ausgebildet ist. Ein derart ausgebildeter Auftriebskörper, der vorzugsweise als verschlossener Hohlkörper ausgebildet ist, bewirkt aber nicht nur einen verbesserten Auftrieb des Schiffes, sondern hebt aufgrund des gegen den Auftriebskörper wirkenden Staudruckes bei einer Fahrt das Schiff zusätzlich an. Zur Vermeidung von Reibungsverlusten zwischen dem anströmenden Wasser und dem Auftriebskörper und somit zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es weiterhin zu bevorzugen, den Auftriebskörper frei drehbar auf der Drehachse bzw. Antriebswelle der Vortriebseinrichtung zu lagern.

Es hat sich insbesondere bei schnell fahrenden Vollgleitem als vorteilhaft erwiesen, an dem radial äußeren Ende der Vortriebseinrichtung eine mit der Vortriebseinrichtung verbundene, die Vortriebseinrichtung pilzkopfartig überdeckende und den Auftriebskörper zumindest teilweise umfänglich überragende Verdickung vorzusehen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass aufgrund des hohen Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes durchaus als Gleiter ausgebildete Schiffe unterstützt durch die Auftriebswirkung der Auftriebskörper so weit bei voller Fahrt aus dem Wasser gehoben werden können, dass diese im wesentlichen lediglich über die pilzkopfförmigen Verdickungen mit dem Wasser in Kontakt stehen. Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Schiffsantriebe hierfür zu jeweils zwei Antrieben vorne am Schiff und zwei Antrieben hinten am Schiff angeordnet sind. In diesem Fall bilden die insgesamt vier Vortriebseinrichtungen bei voller Fahrt gleichzeitig die Antriebe, wie auch diejenigen Teile aus, die beispielsweise bei einem Tragflügelboot die Last des Schiffes auf das Wasser aufbringen. Im Hinblick darauf ist es zu bevorzugen, die pilzkopfförmige Verdickung möglichst strömungsgünstig, mit ihrer äußeren Umfangsfläche vorzugsweise die äußere Umfangsfläche des Auftriebskörpers kontinuierlich fortsetzend auszubilden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:

Figur 1: eine Seitenansicht eines Schiffes mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebes;
Figur 2: eine Unteransicht des in Figur 1 gezeigten Schiffes;
Figur 3: eine stirnseitige Ansicht des in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiels bei teilweise weggeschnittener Abdeckung;
Figur 4: eine Darstellung der Schnittansicht IV-IV gemäß der Darstellung in Figur 3;
Figur 5: eine Seitenansicht eines Schiffes mit einem weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes;
Figur 6: eine Unteransicht des in Figur 5 gezeigten Schiffes und
Figur 7: eine teilweise stirnseitige Ansicht des in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiels des Schiffsantriebes.

In Figur 1 ist eine Seitenansicht eines als Verdränger mit verschiedenen Tauchtiefen ausgebildeten Schiffes 2 gezeigt. Die unterschiedlichen Tauchtiefen sind anhand der unterschiedlichen Wasserlinien W für unterschiedliche Ladungszustände zu erkennen. Im Heck des Schiffes 2 befindet sich ein Schiffsantrieb 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Schiffsantrieb 4 sind als wesentliche Bestandteile eine als Zahnrad 6 ausgebildete Vortriebseinrichtung sowie eine dieses Zahnrad 6 zumindest teilweise umfänglich umgebende Abdeckung 8 vorgesehen. Die Drehachse 10 des Zahnrades 6 erstreckt sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in horizontaler Richtung und im übrigen senkrecht zur Vortriebsrichtung V, d.h. rechtwinklig zur Längsachse des Schiffes 2.

Die Abdeckung 8 ist zylinderförmig ausgebildet, d.h. hat sich parallel zu der Drehachse 10 erstreckende Seitenflächen. Die Abdeckung 8 umgibt das Zahnrad 6 mit einem Umschlingungswinkel von etwa 240°. Die Abdeckung 8 weist ein vorderes, d.h. bugwärtiges Ende 12 sowie ein hinteres, heckwärtiges Ende 14 auf. Die beiden Enden 12, 14 enden etwa auf gleicher Höhe und bündig mit der Unterseite des Schiffrumpfes 16. Zwischen den beiden Enden 12, 14 wird der Schiffsrumpf 16 unterseitig von dem Zahnrad 6 überragt.

In der Unteransicht des Schiffrumpfes 16 gemäß Figur 2 ist der von der Abdeckung 8 umfänglich begrenzte und seitlich durch ortsfeste Seitenwände 18, 20 gebildete Aufnahmeraum für das Zahnrad deutlich zu erkennen. Die Seitenwände 18, 20 sind mit dem Schiffsrumpf 16 verbunden und werden von einer Antriebswelle 22, die in der Drehachse des Zahnrades liegt, durchragt, wie nachfolgend anhand von Figur 3 noch ausführlicher beschrieben wird.

Die Figur 3 zeigt eine stirnseitige Ansicht des Schiffsantriebes gemäß den Darstellungen in den Figuren 1 und 2. Die Antriebswelle 22 ist über Lager 24, 26 beiderseits gelagert.

An einem Ende der Antriebswelle 22 befindet sich hinter dem Lager 26 ein Winkelgetriebe 28, dessen kraftseitiges Ende mit einem beliebig ausgestalteten Motor 30, beispielsweise einem Elektromotor verbunden ist.

Die Seitenwände 18, 20 umgeben das Zahnrad 6 U-förmig und sind an ihrer Unterseite mit dem Schiffsrumpf 16 verschweißt. Über geeignete Dichtungen ist die Antriebswelle 22 abgedichtet durch die Seitenwände 18, 20 hindurchgeführt. Ein sich horizontal erstreckender, parallel zu der Drehachse 10 der Antriebswelle 22 verlaufender Quersteg 32 der so gebildeten Haube 34 bildet die umfänglich das Zahnrad 6 teilweise umgebende Abdeckung 8 aus. Die Haube 34 ist zweiteilig ausgebildet, wobei der untere Teil 36 die Dichtung und die Durchführung für die Antriebswelle 22 umfasst und fest mit dem Schiffsrumpf verbunden ist, wohingegen der obere Teil 38, welcher über einen Flansch 40 mit dem unteren Teil 36 verbunden und gegenüber diesem abgedichtet ist, zu Wartungszwecken abgehoben werden kann. Die Schnittstelle zwischen dem oberen Teil 36 und dem unteren Teil 38 wird vorzugsweise so gewählt, dass der obere Teil bei jedem beliebigen Beladungszustand abgehoben werden kann, ohne dass Wasser in den Schiffsrumpf 16 läuft.

In Figur 3 ist zu erkennen, dass das Zahnrad 6 seitlich durch Begrenzungselemente 42, 44 eingefasst ist. Diese Begrenzungselemente 42, 44 sind ringförmig ausgebildet und fest mit dem sich drehenden Zahnrad 6 verbunden. Mit ihrem radialen äußeren Ende reichen die Begrenzungselemente 42, 44 über die Umfangsfläche des Zahnrades 6 hinaus und nahezu bis zu der Abdeckung 8.

Das Zahnrad 6 weist an seiner Umfangsfläche mehrere Zähne 46 auf, die bezogen auf die Drehachse 10 in axialer Richtung einen konvex gekrümmten Verlauf haben. In Figur 3 ist die Zahnspitze 48 des obersten Zahnes 46 deutlich zu erkennen.

Einzelheiten der umfänglichen Gestaltung des Zahnrades sind in Figur 4 zu erkennen. Diese zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV gemäß der Darstellung in Figur 3 und dient insbesondere der Verdeutlichung der Ausgestaltung der Zähne 46. Der Drehsinn D in Hauptantriebsrichtung des Schiffes, d.h. diejenige Drehrichtung des Zahnrades 6 bei der Vorwärtsfahrt des Schiffes ist mit einem geschwungenen Pfeil bei "D" eingezeichnet. Jeder Zahn 46 hat eine Vorderflanke 50 sowie eine Hinterflanke 52. Die Vorderflanke 50 hat bezogen auf den Umfang des Zahnrades 6 eine geringere Steigung als die Hinterflanke 52. Jeder Zahn 46 des Zahnrades 6 ist identisch ausgebildet. Die Vorderflanken 50 und Hinterflanken 52 sind bezogen auf die axiale Erstreckung der Drehachse 10 konvex gekrümmt. Dementsprechend zeigt die innere gezackte Kontur in Figur 4 den axial äußeren Rand des Zahnrades 46, wohingegen die äußere gezackte Kontur in Figur 4 die umfängliche Kontur in der Mitte (bezogen auf die Breitenrichtung des Zahnes) wiedergibt.

Neben den vorerwähnten konvexen Gestaltungen in axialer Richtung sind die Vorder- und Hinterflanken 50, 52 auch in Umfangsrichtung konvex gekrümmt. Es ergibt sich, dass die Flanken 50, 52 der jeweiligen Zähne 46 sphärisch ausgebildet sind. Die Krümmung in axialer Richtung ist im übrigen schematisch in Figur 2 dargestellt.

Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel hat scheibenförmige Begrenzungselemente 42, 44, zwischen denen die Vorder- und Hinterflanken 50, 52 bildende Bleche eingeschweißt sind. Durch die Vorder- und Hinterflanken 50, 52 der Zähne 46 wird eine umfänglich geschlossene Umfangsfläche an dem Zahnrad 6 ausgeformt.

Das in den Figuren 1 bis 4 gezeigte Ausführungsbeispiel wird wie folgt betrieben: In der Ruhestellung, d.h. bei einem nicht drehenden Zahnrad 6 befindet sich oberhalb der Wasserlinie in einem zwischen der Abdeckung 8 und dem Zahnrad 6 befindlichen Spalt 54, dessen Querschnittsform sich in Umfangsrichtung mit der Steigung der Vorder- und Hinterflanken 50, 52, ändert, Luft. Beim Anfahren für die Vorwärtsfahrt (Vortriebsrichtung "V") wird das Zahnrad 6 in der Drehrichtung gemäß dem Pfeil D gedreht. Das Zahnrad 6 dreht sich zunächst aufgrund seiner Trägheit langsam und verschleppt mit der vorlaufenden Vorderflanke 50 der jeweiligen Zähne 46 umgebendes Wasser in den Spalt 54. Mit zunehmender Umdrehungsgeschwindigkeit des Zahnrades 6 wird die in dem Spalt 54 befindliche Luft in Drehrichtung des Zahnrades 6 vollständig aus gefördert. Das Wasser läuft kontinuierlich in dem Spalt 54 mit den Drehsinn D um. Mit anderen Worten bildet sich bei dem Betrieb des Zahnrades 6 zwischen demselben und der Abdeckung 8 ein Wasser fördernder Strömungskanal aus. Die Strömung in dem Strömungskanal erfolgt von dem hinteren Ende 14 zu dem vorderen Ende 12 des Kanals, also in Vortriebsrichtung V. Das Wasser wird mit einer horizontalen Geschwindigkeitskomponente, von der ausgegangen wird, dass sie das Schiff nach vorne treibt, in den Spalt 54 durch die Vorderflanke 50 hereingefördert und verlässt den Spalt 54 ebenfalls mit einer horizontalen Geschwindigkeitskomponente, von der ausgegangen wird, dass sie das Schiff 2 ebenfalls in Vortriebsrichtung V vorantreibt.

In den Figuren 5 bis 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist - wie den Figuren 5 und 6 zu entnehmen ist - in einem als Vollgleiter ausgebildeten Schiff 2 eingebaut. Genauer gesagt sind vier identische Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes in dem Schiff 2 eingebaut. Es befinden sich jeweils zwei Schiffsantriebe 4a in Breitenrichtung nebeneinander im Bug des Schiffes 2 und zwei Schiffsantriebe 4b in Breitenrichtung nebeneinander im Heck des Schiffes 2. Bei dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten Schiff kann auf ein separates Ruder verzichtet werden, da die Schiffsantriebe jeweils steuerbar sind.

Einzelheiten dieser Steuerung sind in Figur 7 zu erkennen. Zu jedem Schiffsantrieb 4 ist auf der Unterseite des Schiffsrumpfes 16 eine kreisrunde Ausnehmung 60 ausgespart, welche jeweils durch über die Wasserlinie W ragende Seitenwände 56 begrenzt wird. In dem derart gebildeten zylinderförmigen Innenraum befindet sich ein Topf 58, dessen Seitenwand 60 sich parallel zu der Seitenwand 56 des Rumpfes 16 erstreckt. Die Unterseite des Topfes 58 ist mit einer kreisrunden Ausnehmung 62 versehen, die von dem Zahnrad 6 und von Auftriebskörpern 46, auf die nachfolgend noch näher eingegangen werden soll, durchragt wird. Der Topf 58 ist über Lager 66 gegenüber dem Schiffsrumpf um eine Drehachse S drehbar gelagert. Diese Drehung des Topfes 58 in dem Schiffsrumpf 16 wird über eine nicht näher dargestellte Steuereinrichtung zur Steuerung der jeweiligen Drehrichtung gesteuert. Jeder einzelne der Antriebe 4a, b kann unabhängig voneinander um die Steuerachse S gedreht werden.

In dem Topf 58 ist eine Lagerplatte 68 aufgenommen, welche ebenfalls mit einer kreisrunden und von dem Zahnrad 6 und den Auftriebskörpern 46 durchragten Ausnehmung 70 versehen ist. Die Lagerplatte 68 trägt die Lager 24, 26 und ferner den Motor 30.

Zwischen der Bodenplatte des Topfes 58 unmittelbar benachbart der Ausnehmung 62 und der Lagerplatte 68 ist eine als Faltenbalg 72 ausgebildete und die Ausnehmungen 62, 70 umgebende Dichtung vorgesehen, die verhindert, dass Wasser zwischen der Lagerplatte 68 und der Unterseite des Topfes 58 in denselben gelangt.

Auf der dem Wasser abgewandten Seite der Lagerplatte 68 erhebt sich die Haube 34. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Haube 34 durch die Antriebswelle 22 durchragt. Die Lager 24, 26 befinden sich außerhalb der Haube 34.

Verdrehfest mit der Antriebswelle 22 ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Zahnrad 6 verbunden. In gleicher Weise verdrehfest mit dem Zahnrad 6 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Begrenzungselemente 42, 44 vorgesehen. Seitlich benachbart der Begrenzungselemente 42, 44 befinden sich die jeweiligen Auftriebskörper 64, die über Lager 74 frei drehbar auf der Antriebswelle 22 gelagert sind.

Die Auftriebskörper 64 sind im wesentlichen identisch ausgebildet und weisen benachbart zu dem Zahnrad 6 einen Durchmesser auf, der in etwa dem Durchmesser desselben entspricht. Die äußere Kontur der Auftriebskörper 64 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wie folgt ausgestaltet: Ein erster Umfangsabschnitt 76 erstreckt sich parallel zu der Drehachse 10. Es folgt ein zweiter Umfangsabschnitt 78, welcher im wesentlichen eine Ebene, auf die Drehachse 10 zulaufende Kontur hat. Dieser zweite Umfangsabschnitt 78 kann im Hinblick auf einen möglichst großen Auftrieb der in das Wasser eintauchenden Auftriebskörper 64 auch konvex nach außen gekrümmt verlaufend ausgebildet sein. Der erste Umfangsabschnitt 76 wird umfänglich von einer Verdickung 80 umgeben, die fest mit dem Zahnrad 6 verbunden ist. Die Innenseite der Verdickung 80 ist zylinderförmig ausgebildet. Die Verdickung 80 erstreckt sich beiderseits des Zahnrades 6 und der zugeordneten Begrenzungselemente 42, 44 und erscheint in der in Figur 7 gezeigten Schnittansicht pilzkopfartig. Die Verdickung 80 wird mittig im Bereich des Zahnrades 6 durch die Oberflächenkontur der Zähne 46 fortgeführt. Die Zahnspitze 48 der Zähne führt die äußere Kontur der Verdickung 80 kontinuierlich und absatzlos fort.

Die Lagerplatte 68 ist in dem Topf 58 gehalten und gegenüber diesem verschwenkbar gelagert, und zwar unter Zwischenschaltung zumindest eines Neigungsdämpfers 82, der als herkömmlicher, teleskopartiger Dämpfer ausgestaltet ist. Das eine Ende des Dämpfers 82 ist mit dem oberen Ende der Seitenwand 60 verbunden, wohingegen das andere Ende nahe der Lagerplatte 68 angelenkt ist.

Der Neigungsdämpfer 82 dient der Dämpfung einer Verschwenkbewegung um eine Schwenkachse, die sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Längsrichtung des Schiffes erstreckt. Für diese Schwenkbewegung ist die Lagerplatte 68 an ihrem in Vortriebsrichtung vorderen und hinteren Ende über Lager verschwenkbar gelagert. Die hierdurch gebildete Schwenkachse verläuft jeweils rechtwinklig zu der Drehachse des Motors 30 und der Steuerachse S und schneidet die beiden Achsen in ihrem gemeinsamen Schnittpunkt. Dieser Schnittpunkt ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Mittelpunkt des Zahnrades 6.

Hinsichtlich der Ausgestaltung des Spaltes 54 zwischen den Begrenzungselementen 42, 44 entspricht die in den Figuren 5 bis 7 gezeigte Ausführungsform der vorher diskutierten Ausführungsform der Figuren 1 bis 4. Insofern gilt auch das hinsichtlich des Betriebes Gesagte entsprechend, wobei hier zu bemerken ist, dass die Haube 34 einen größeren Bereich abdeckt und auch die Auftriebskörper 64 einschließt.

Wenn der in Figur 7 gezeigte Schiffsantrieb um die Steuerachse S verdreht wird, ergibt sich bei einem Betrieb des Schiffsantriebes eine Kreiselkraft, aufgrund derer die Lagerplatte 68 gegenüber dem Topf 58 verschwenkt. Diese Schwenkbewegung wird durch den Neigungsdämpfer 82 abgefangen. Die Lagerplatte 68 wird dadurch in die in Figur 2 gezeigte Ausgangsstellung zurückgeführt. Der Neigungsdämpfer 82 verhindert, dass die Kreiselkraft sich unmittelbar auf den Schiffsrumpf überträgt.

Bezugszeichenliste

2: Schiff
4: Schiffsantrieb
6: Zahnrad
8: Abdeckung
10: Drehachse
12: vorderes Ende
14: hinteres Ende
16: Rumpf
18: Seitenwand
20: Seitenwand
22: Antriebswelle
24: Lager
26: Lager
28: Winkelgetriebe
30: Motor
32: Quersteg
34: Haube
36: unteres Teil
38: oberes Teil
40: Flansch
42: Begrenzungselement
44: Begrenzungselement
46: Zahn
48: Zahnspitze
50: Vorderflanke
52: Hinterflanke
54: Spalt
56: Seitenwand
58: Topf
60: Seitenwand
62: Ausnehmung
64: Auftriebskörper
66: Lager
68: Lagerplatte
70: Ausnehmung
72: Faltenbalg
74: Lager für die Auftriebskörper
76: erster Umfangsabschnitt
78: zweiter Umfangsabschnitt
80: Verdickung
82: Neigungsdämpfer
D: Drehrichtung
S: Steuerachse
V: Vortriebsrichtung
W: Wasserlinie

Claims

Schiffsantrieb mit einer zumindest teilweise in das Wasser eintauchenden Vortriebseinrichtung (6), die um wenigstens eine sich im wesentlichen senkrecht zu der Vortriebsrichtung (6) erstreckenden Drehachse umläuft, und mit einer die Vortriebseinrichtung (6) teilweise umgebenden Abdeckung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (8) derart in Bezug auf die Vortriebseinrichtung angeordnet wird, dass sich beim Betrieb der Vortriebseinrichtung (6) ein zwischen der Abdeckung und der Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung (6) ausgebildeter Spalt (54) vollständig mit Wasser füllt und sich eine mit der Drehrichtung der Vortriebseinrichtung (6) in dem Spalt (54) umlaufende Strömung ausbildet.
Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebseinrichtung ein drehbar angetriebenes Rad (6) umfasst.
Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebseinrichtung ein drehbar angetriebenes umlaufendes Band umfasst.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebseinrichtung (6) eine umfänglich geschlossene Umfangsfläche aufweist.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung (6) seitlich durch die Umfangsfläche überragende, nahezu bis zu der Abdeckung reichende Begrenzungselemente (42, 44) eingefasst ist.
Schiffsantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente sowie die Abdeckung ortsfest angeordnet sind.
Schiffsantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (42; 44) mit der umlaufenden Vortriebseinrichtung (6) verbunden sind.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren Umfangsfläche der Vortriebseinrichtung (6) mehrere Zähne (46) hintereinander angeordnet sind.
Schiffsantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn (46) eine vorlaufende, radial nach außen gerichtete Vorderflanke (50) und eine sich an diese anschließende, radial nach innen gerichtete Hinterflanke (52) aufweist, und dass die Vorderflanke (50) eine geringere Neigung als die Hinterflanke (52) hat.
Schiffsantrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnspitze (48) der Zähne (46) in axialer Richtung konvex gekrümmt ausgebildet ist.
Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderflanke (50) und/oder die Hinterflanke (52) der Zähne (46) in axialer Richtung konvex gekrümmt ausgebildet sind.
Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderflanke (50) und/oder die Hinterflanke (52) der Zähne in Umfangsrichtung konvex gekrümmt ausgebildet sind.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Einlass des Strömungskanals bildendes hinteres Ende (41) der Abdeckung (8) eine nach vorne gerichtete Krümmung aufweist.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Auslass des Strömungskanals bildendes vorderes Ende (12) der Abdeckung eine nach hinten gerichtete Krümmung aufweist.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Rand der Abdeckung (8) über der Wasserlinie (W) des Schiffes (2) angeordnet ist und dass das vordere und/oder das hintere Ende (12; 14) der Abdeckung (8) bis unter die Wasserlinie (W) ragen.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung sich mit einem Umschlingungswinkel von zwischen 200° und 270° um die Vortriebseinrichtung (6) erstreckt.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vortriebseinrichtung (6) und der Abdeckung ein minimaler Spalt (54) von 2 bis 10%, vorzugsweise 3 bis 6% des Durchmessers der umlaufenden Vortriebseinrichtung (6) ausgebildet ist.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebseinrichtung (6) senkrecht zu ihrer Drehachse (10) um eine Steuerachse (S) drehbar ist und dass eine die Drehung der Vortriebseinrichtung (6) um die Steuerachse steuernde Steuereinrichtung vorgesehen ist.
Schiffsantrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebseinrichtung (6) zusammen mit der Abdeckung (8) auf einer von der Vortriebseinrichtung (6) durchragten Lagerplatte (68) angeordnet sind, die oberseitig durch eine Haube (34) abgedichtet ist und die in einem drehbar in dem Schiffsrumpf (16) gelagerten, bodenseitig offenen und von der Vortriebseinrichtung (6) durchragten Topf (58) aufgenommen ist und dass zwischen der Lagerplatte (68) und dem Topf (58) eine Dichtung (72) vorgesehen ist.
Schiffsantrieb nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Haube (34) die Abdeckung (8) ausbildet.
Schiffsantrieb nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (68) unter Zwischenschaltung wenigstens eines Neigungsdämpfers (82) verschwenkbar an dem Topf (58) gelagert ist.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Vortriebseinrichtung relativ zu der Abdeckung verstellende Spalteinstelleinrichtung.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet durch eine die Vortriebseinrichtung zusammen mit der Abdeckung höhenverstellende Eintauchtiefenverstelleinrichtung.
Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten der Vortriebseinrichtung (6) jeweils ein sich vorzugsweise in axialer Richtung der Drehachse (10) von der Vortriebseinrichtung (6) weg verjüngender Auftriebskörper (64) vorgesehen ist.
Schiffsantrieb nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörper (64) frei drehbar auf der Drehachse (10) bzw. der Antriebswelle (22) der Vortriebseinrichtung (6) gelagert sind.
Schiffsantrieb nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass an dem radial äußeren Ende der Vortriebseinrichtung (6) eine mit der Vortriebseinrichtung (6) verbundene, die Vortriebseinrichtung (6) pilzkopfförmig überdeckende und den Auftriebskörper (64) zumindest teilweise umfänglich überragende Verdickung (80) vorgesehen ist.