EP2109565B1

EP2109565B1 - Strahlantrieb

Info

Publication number: EP2109565B1
Application number: EP08707069A
Authority: EP
Inventors: Dirk Büchler
Original assignee: Air Fertigung Technologie GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo Advanced Propeller Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: WO2008087020A1; DE502008002069D1; ATE492466T1; DE102007002519A1; EP2292510A1; EP2109565A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlantrieb, insbesondere für Wasserfahrzeuge. Auf WO 2005/049420 wird verwiesen.
Bei solchen Strahlantrieben sind am Innenumfang des Rotors mehrere Rotorblätter angeordnet, die sich bis zum Bereich der Drehachse des Rotors hin erstrecken und dort einen Raum freilassen. Die freien Enden der Rotorblätter berühren sich somit nicht, und es ist auch keine Nabe vorgesehen. Ferner umfasst ein solcher Strahlantrieb ein Gehäuse, in dem der Rotor drehbar gelagert ist. Dem Rotor ist ein Elektromotor mit Läuferring und Statorring zugeordnet. Läuferring und Statorring sind koaxial zu dem Rotor angeordnet, und der Läuferring ist mit dem Rotor drehfest verbunden.
Solche Strahlantriebe haben gegenüber konventionellen Strahlantrieben zahlreiche Vorteile. Sie sind von verhältnismäßig einfachem Aufbau, daher kostengünstig in der Herstellung, und haben außerdem einen relativ günstigen Wirkungsgrad. Gleichwohl sind derartige Strahlantriebe verbesserungsfähig, insbesondere was den Wirkungsgrad anbetrifft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlantrieb der genannten Bauart derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad gegenüber bisher bekannten Strahlantrieben dieser Bauart verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß wird ein Strahlantrieb der bekannten Bauart in einer Tandemanordnung ausgeführt. Dabei werden zwei Rotoren verwendet sowie zwei Elektromotoren, die jeweils als eine Einheit axial nebeneinander angeordnet sind. Es kann ein einziges Gehäuse vorgesehen werden, dass die beiden Einheiten in axialer Richtung umschließt.
Durch die Tandemanordnung ergibt sich während des Betriebes eine höhere Energieausbeute. Der Wirkungsgrad ist somit größer, als bei einem Einzel-Strahlantrieb mit nur einer einzigen Einheit aus Rotor und Elektromotor. Außerdem ist die erfindungsgemäße Tandem-Bauart flexibler im Betrieb. So müssen nicht beide Einheiten gleichzeitig betrieben werden. Vielmehr kann die eine oder die andere Einheit abgeschaltet beziehungsweise sodann zugeschaltet werden.
Gemäß einem weiteren Gedanken wird eine besondere Regelung vorgesehen. Hiermit lassen sich die Drehzahlen der Rotoren einzelner Einheiten unabhängig voneinander regeln. Es können damit für beliebige Fahrzustände die Drehzahlen der Rotoren einzelner Einheiten derart gewählt werden, dass für das Gesamtsystem Drehmomentenfreiheit gewährleistet ist. Damit lässt sich für beliebige Fahrzustände der Wirkungsgrad optimieren. Es lässt sich für das gesamte System ein Wirkungsgrad-Maximum erzielen.
Dies ist insbesondere vorteilhaft für ein Schiff, dessen Betriebsbedingungen stark verändert werden.
Bei schnell fahrenden Wasserfahrzeugen ist auch die folgende Regelung möglich: Es lässt sich eine Lastverschiebung von einem vorderen auf einen hinteren Rotor mit zunehmender Geschwindigkeit vornehmen. Durch den Druckzuwachs, den der hintere Propeller damit erfährt, lässt sich die Kavitationsgefahr minimieren.
Auch ist es möglich, das hintere Axiallager eines in Fahrtrichtung gesehen vorderen Rotors gegen das vordere Axiallager eines in Fahrtrichtung hinteren Rotors laufen zu lassen. Hierdurch lässt sich eine höhere Relativgeschwindigkeit im Lager erzielen. Lagergröße und baulicher Aufwand lassen sich damit reduzieren.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1: zeigt einen Strahlantrieb in einer achssenkrechten Ansicht.
Figur 2: zeigt den Gegenstand von Figur 1 in einem Axialschnitt, und zwar gemäß der Schnittlinie A - A in Figur 1.
Figur 3: zeigt wiederum einen Axialschnitt durch einen Strahlantrieb mit zwei Einheiten im Ausschnitt.
Figur 4: zeigt in einer perspektivischen, vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt aus dem Lagerbereich.

Figur 1 zeigt die Blätter 1 des Rotors der ersten der beiden Einheiten. Im vorliegenden Falle handelt es sich um sieben Blätter. Es könnten aber auch mehr oder weniger sein. Wie man sieht, weisen die freien Enden der Blätter auf das Zentrum der Strahleinheit, so dass zwischen den freien Enden ein Freiraum verbleibt.
Aus Figur 2 erkennt man, dass es sich um zwei Einheiten handelt. Hieraus sind auch einige der Blätter der beiden Strahleinheiten zu erkennen, nämlich wiederum Blätter 1 der ersten Einheit und Blätter 2 der zweiten Einheit.
Jede Einheit weist die folgenden Bauteile auf: einen Rotor 3 beziehungsweise 4, an dem die Blätter 1 beziehungsweise 2 fixiert sind, einen Läuferring 5 beziehungsweise 6 sowie einen Statorring 7 beziehungsweise 8, der jeweils in ein Gehäuse 9 beziehungsweise 10 eingelassen ist. Außerdem erkennt man den Fuß 1.1 beziehungsweise 2.1 des einzelnen Blattes.
Alle diese Bauteile, somit Fuß des Blattes, Rotor 3 beziehungsweise 4, Läuferring 5 beziehungsweise 6 und Statorring 7 beziehungsweise 8 sind koaxial zueinander angeordnet. Der Läuferring ist mit dem Rotor drehfest verbunden. Zwischen dem Läuferring und dem Statorring herrscht ein Luftspalt von minimaler Weite.
Die beiden Gehäuse 9, 10 könnten auch aus einem einzigen Teil bestehen.
Zwischen den beiden Einheiten ist ein Abstandsflansch 11 vorgesehen. An den äußeren Enden der beiden Gehäuse ist wiederum ein Lagerflansch 12 beziehungsweise 13 vorgesehen.
Der axiale Abstand zwischen den beiden Rotoren sollte so klein wie möglich sein. Es ist daher wünschenswert, den genannten Abstandsflansch 11 in axialer Richtung möglichst klein zu bemessen. Er könnte beispielsweise aus einem ganz dünnen Blech bestehen, das nur wenige Millimeter stark ist, beispielsweise 1 bis 3 mm, oder kleiner als 1 mm, beispielsweise 0,5 bis 1,0 mm.
Der axiale Abstand sollte ganz allgemein kleiner als 10 Prozent des axialen Rotormaßes sein.
Die beiden Elektromotoren sind derart ausgelegt, dass sie in gegenläufigem Drehsinn umlaufen. Dies ist bei der hier gewählten Bauweise des Strahlantriebes konstruktiv gut verwirklichbar, weil diese Baueinheit nämlich nabenlos ist.
Die erfindungsgemäße Tandem-Bauart hat große Vorteil bezüglich des Wirkungsgrades. Dieser ist wesentlich höher, als bei einem entsprechend bemessenen Einzel-Strahlantrieb.
Figur 3 zeigt Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlantriebes etwas genauer. Dabei sind die Rotorblätter der größeren Klarheit wegen weggelassen. Man erkennt wiederum die beiden Rotoren 3 beziehungsweise 4, die mit diesen drehfest verbundenen Läuferringe 5 beziehungsweise 6 sowie die Statorringe 7 beziehungsweise 8. Das Ganze ist von einem Gehäuse 9 beziehungsweise 10 umschlossen.
Eine wichtige Rolle spielen die Lager. Der Strahlantrieb ist völlig geflutet. Die Lager bestehen aus seewasserfestem Carbid. Den Aufbau der Lager erkennt man aus Figur 4. Siehe dort die Lagersegmente 14, 15 die in das Gehäuse 9 beziehungsweise 10 eingelassen sind. Die Lagersegmente 14, 15 sind im Querschnitt schwalbenschwanzförmig, und das Gehäuse hat entsprechende Aussparungen.
Je nachdem, ob eine Durchspülung am Gehäuselager vorgesehen ist oder nicht, können die Lagersegmente 14, 15 in einem gewissen gegenseitigen Abstand d angeordnet werden.
Ist dies der Fall, so werden die Nuten zwischen den Lagersegmenten ständig durchspült, was eine zusätzliche Kühlung der Lagerung des Elektromotores bedeutet.
Es können zwei oder mehrere Einheiten axial hintereinander geschaltet werden. Es kommen somit auch drei oder vier oder noch mehr Einheiten in Betracht.

Bezugszeichenliste

1: Rotorblatt
1.1: Fuß des Rotorblattes
2: Rotorblatt
2.1: Fuß des Rotorblattes
3: Rotor
4: Rotor
5: Läuferring
6: Läuferring
7: Statorring
8: Statorring
9: Gehäuse
10: Gehäuse
11: Abstandsflansch
12: Lagerflansch
13: Lagerflansch
14: Lagersegmente
15: Lagersegmente

Claims

Strahlantrieb
1.1 umfassend zwei oder mehrere axial hintereinander angeordnete Einheiten;

1.2 jede Einheit weist die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale auf:
- einen nabenlosen Rotor (3, 4), an dessen Innenumfang Rotorblätter (1, 2) fixiert sind;

- ein Gehäuse (9, 10), in dem der Rotor (3, 4) drehbar gelagert ist;

- jeder Rotor (3, 4) ist von einem Elektromotor mit Läuferring (5, 6) und Statorring (7, 8) umschlossen;

- der Läuferring (5, 6) ist mit dem Rotor (3, 4) drehfest verbunden;

1.3 die beiden Elektromotoren sind für einander entgegengesetzte Drehrichtungen ausgelegt;

1.4 die Lagerung zwischen Rotor (3, 4) und Gehäuse (9, 10) weist seewasserfestes Carbid auf.
Strahlantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung zwischen Rotor (3, 4) und Gehäuse (9, 10) Siliciumcarbid oder Aluminiumcarbid aufweist.
Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung zwischen Rotor (3, 4) und Gehäuse (9, 10) ausschließlich aus Carbid besteht.
Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung aus Gleitlagern gebildet ist.
Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen der Rotoren (3, 4) der Einheiten unabhängig voneinander regelbar sind.
Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Axiallager eines in Fahrtrichtung gesehen vorderen Propellers gegen das vordere Lager eines in Fahrtrichtung gesehen hinteren Propellers läuft.