EP2281743A1 - Propellergondel - Google Patents

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EP2281743A1
EP2281743A1 EP10007083A EP10007083A EP2281743A1 EP 2281743 A1 EP2281743 A1 EP 2281743A1 EP 10007083 A EP10007083 A EP 10007083A EP 10007083 A EP10007083 A EP 10007083A EP 2281743 A1 EP2281743 A1 EP 2281743A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
propeller
shaft
axis
rotation
cross
Prior art date
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Granted
Application number
EP10007083A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2281743B1 (de
Inventor
Reinhard Dr. Habil. Schulze
Stefan Meckelburg
Olaf Weninger
Andreas Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
REINTJES GmbH
Original Assignee
REINTJES GmbH
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Publication date
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Publication of EP2281743A1 publication Critical patent/EP2281743A1/de
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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
    • 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
    • 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
    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis
    • B63H2005/1256—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis with mechanical power transmission to propellers

Definitions

  • the invention relates to a propeller pod having (a) a hull having a shank for attachment to a vehicle, in particular a watercraft, the shank extending along a shank axis and having at least one cross section with a chord, and (b) at least a propeller shaft for attaching a propeller, wherein the chord extends with respect to a directional angle measuring surface at a direction angle to a propeller axis of rotation of the propeller shaft.
  • Such propeller pods are used in so-called pod drives.
  • Pod drives are used when, for example, a particularly high degree of efficiency and a compact design are desired for ships. Pod drives are therefore used, for example, in ferries and on yachts.
  • the shaft is formed prismatic and is at a fixed direction angle relative to the axis of rotation of the propeller. Even such pod drives tend to cavitation. To reduce cavitation, the shaft is made long and slender and rotatably attached to the hull.
  • the invention has for its object to overcome disadvantages in the prior art.
  • the invention solves the problem by a generic propeller nacelle, in which the direction angle changes at least in sections at a distance from the propeller axis of rotation.
  • An advantage of this propeller nacelle is that it has an increased efficiency. Due to the height-dependent changing direction angle namely introduced by the tractor propeller into the water flow swirling movement is guided past the shaft particularly low resistance.
  • a pod drive with the propeller nacelle according to the invention also has little tendency to cavitation.
  • the fuselage is to be understood in particular as meaning all those components of the propeller pod which are visible from the outside and do not rotate during operation.
  • the shaft axis usually extends at an angle of approximately 90 degrees to a tangential surface of the hull. Usually the shaft axis runs vertically.
  • the shaft axis has at least one cross section with a chord
  • chord extends at a directional angle to the traction propeller axis of rotation of the propeller
  • this directional angle is determined with respect to a reference surface.
  • This reference surface may be an area that is curved.
  • the reference surface is a cylinder jacket surface of a cylinder whose longitudinal axis coincides with the traction propeller rotation axis.
  • the reference surface is a plane which is perpendicular to the shaft axis.
  • the reference surface is always chosen so that the tendon is uniquely determined.
  • the tendon is the connection between the profile nose and the profile trailing edge of the cross section.
  • the term profile chord is also used, the profile nose can also be referred to as the approach point, the profile trailing edge as a break point.
  • the direction angle changes at least in sections with the distance from the Switzerlandpropeller rotation axis, it is understood in particular that it is possible that the direction angle is independent in other sections of the distance from the Switzerlandpropeller axis of rotation.
  • the shaft may be partially formed pyramidal or prismatic.
  • a longitudinal trunk which is attached to the shaft and extends along the propeller axis of rotation, in a region which extends in extension of the shaft, a Schränkung.
  • the shaft will usually pass continuously into the longitudinal nacelle. That is, said region has a local longitudinal axis that is less than the direction of the propeller axis.
  • the direction angle is measured, for example, in a horizontal plane in the installed position.
  • the invention is based on the finding that it is advantageous if the shaft and / or at least parts of the longitudinal nacelle have a setback. Unlike wings, however, this limitation does not have the purpose of preventing a sudden complete stall by having the stall close to the hull. As a rule, the shaft has such a shape that, in total, no forces are transmitted transversely to the hull by the flow. The reduction serves rather the resistance reduction.
  • the propeller is preferably a draft propeller attached to a tractor propeller shaft.
  • the propeller nacelle has a pusher propeller shaft for rotating a pusher propeller, wherein the stem is arranged with respect to a longitudinal axis of the fuselage or the propeller axis of rotation between the traction propeller and the pusher propeller.
  • the water first flows to the tractor propeller, which passes it on the shaft past the pusher propeller.
  • Ceipropeller and thrust propellers are preferably designed so that the water flow behind the thrust propeller is substantially free of twist. This can be achieved by the drafting propeller having a larger diameter than the thrust propeller.
  • the thrust propeller shaft and the Switzerlandpropellerwelle can be considered as partial waves of the propeller shaft, even if they are not connected torsionally rigid. They are usually coaxial.
  • the drafting propeller shaft is designed to rotate the drafting propeller in a drafting propeller direction of rotation, wherein the propelling propeller shaft is designed to rotate the propelling propeller in a thrust propeller rotation direction which is opposite to the drafting propeller rotation direction.
  • the propeller nacelle usually comprises a gear, preferably a bevel gear.
  • a pod drive with the propeller nacelle according to the invention is thus a counter-rotating drive. Therefore, according to the invention is also a generic propeller nacelle, in which the Glaspropellerwelle and the thrust propeller shaft for turning the respective propeller are formed in opposite directions of rotation, wherein the shaft is arranged between the two propellers. So far, only pod actuators are known in which mutually rotating propellers are arranged on each of the same side of the shaft. The reason for this is that with previous propeller pods, the resistance on the shaft would have been disproportionately large due to the swirling flow of the traction propeller, so that Propellerergondein, in which two counter-rotating propellers are separated by the shaft, were not built. The high resistance is largely reduced by the optimized shaft shape. In addition, otherwise occurring vibrations are avoided.
  • the preferred embodiments mentioned in the present description also relate to this invention.
  • the shaft is designed so that the direction angle as a function of the distance from the trailing-pitch propeller axis passes through a maximum direction angle. It has been found that the exact course of the directional angle, depending on the distance, depends on the power to be transmitted by the pod drive. Choosing the course in such a way that a maximum is passed through has proved to be particularly advantageous.
  • the distance corresponding to the direction angle maximum is at most 0.6 times a propeller radius.
  • the propeller radius if only one propeller is present, its diameter is understood. If two or more propellers are present, the propeller radius is understood to be, in particular, the diameter of the forwardmost propeller in the direction of flow.
  • the distance which becomes the maximum direction angle corresponds at most to half the tractor pitch radius. It has also proven to be advantageous if the distance associated with the direction angle maximum is at least 0.2 times the diameter of the propeller.
  • the traction propeller has a discharge angle with respect to a longitudinal plane, which runs parallel to the traction propeller axis of rotation and in the operating position preferably vertically, flows away from the traction propeller under the water conveyed by the traction propeller.
  • the shaft is designed so that the direction angle deviates by at most 10 degrees, in particular 5 degrees, from the outflow angle. This has the advantage that the water flowing from the trailing propeller flows tangentially to the shaft for the most part. This avoids Verwirbelungspiere and reduces the tendency to cavitation.
  • the cross sections of the shaft are at least partially similar in a mathematical sense.
  • the cross sections are the same, ie they are similar and have the same surface area. This makes it possible to achieve a shaft of particularly simple construction, which at the same time generates low transverse forces.
  • the cross sections of the shaft are mirror-symmetrical.
  • the property of mirror symmetry preferably again refers to the cross section with respect to a cylindrical coordinate system originating in the traction propeller axis of rotation.
  • the cross-sections of the shaft at least in sections have a thickness of more than 40%, in particular less than 60%.
  • Such cross sections reduce the resistance particularly effectively.
  • the thickness reserve is measured in relation to the propeller axis of rotation from the projection of the leading edge on the propeller axis of rotation.
  • a projection of a leading edge of the shaft extends on a transverse plane, which is perpendicular to the Glaspropeller axis of rotation, curved.
  • the cross sections relative to their neighbors twisted and possibly also shifted. If the cross sections are only twisted, there is a point in the cross section that does not change its position and lies in an interior of the cross section.
  • the interior of the cross-section is understood to mean the region which is similar to the cross section, has the same geometric center of gravity and has one quarter of the area of the cross section.
  • a projection of a trailing edge of the shaft extends on a transverse plane that is perpendicular to the Switzerlandpropeller axis of rotation, curved.
  • the water flow coming from the traction propeller optimally fits the shaft as a function of the distance of the position under consideration from the traction propeller rotation axis. This minimizes flow resistance and increases efficiency.
  • each cross-section has two extreme points of maximum deviation from the chord and a thickness-backing point in which the chord is cut from a connecting line through the outermost points, the thickness-return points lying on an at least partially curved curve.
  • This straight line preferably runs through the interior of the cross section.
  • a drive shaft extends at least in sections through an interior of the cross section, wherein the interior is an imaginary surface which has a quarter of the area of the cross section and the same center of gravity.
  • the shaft preferably opens into the hull at a directional angle of substantially 0 °, that is, in particular less than 5 °.
  • the area of the shaft with the minimum directional angle is located at the transition between the shaft and the hull.
  • a projection of the shaft on the transverse plane is at least partially concave or biconcave.
  • FIG. 1 shows a ship 10 with a ship's hull 12 to which a propeller nacelle 14, for example, rigid, is attached.
  • the propeller pod 14 includes a hull 16, which in turn has a shaft 18.
  • the shaft 18 extends along a shaft axis A s , which in the installed position, that is, when the ship 10 is not moving, usually runs vertically.
  • the propeller nacelle 14 also includes a drafting propeller shaft 20 to which a drafting propeller 22 is attached. On a thrust propeller shaft 24 of the propeller pod 14, a pusher propeller 26 is mounted. The draft propeller 22 and the thrust propeller 26 rotate about a propeller axis of rotation A P , from which a radial distance r is measured.
  • FIG. 2 shows a view according to the arrows A in FIG. 1 to the drafting propeller 22.
  • direction angle measuring surfaces F in the form of the directional angle measuring surfaces F H1 , F H2 located , which are each cylinder jacket surfaces with respect to a cylinder whose longitudinal axis coincides with the propeller axis of rotation A P.
  • the information given below always refers to the cylindrical coordinate system whose origin is the propeller axis of rotation A P.
  • FIG. 2a shows a view in direction A (see. FIG. 1 ). It can be seen a leading edge 28 of the shaft 18 which is curved with respect to a transverse plane E Q.
  • the transverse plane E Q is that plane which is perpendicular to the propeller rotation axis Ap and perpendicular to all directional angle measurement surfaces F H.
  • FIG. 2b shows a view in direction B (see. FIG. 1 ), in which a spoiler edge 29 can be seen, which also runs curved and with increasing distance from the hull of a horizontal H away until a non-marked maximum is traversed.
  • FIG. 3 shows cross sections Q1, Q2 through the shaft 18 with respect to two radial distances r.
  • the direction angle ⁇ is, as in the Figures 3 shown measured in the direction angle measuring surface F H.
  • the chord S extends from an inflow point 30, at which the inflowing fluid separates, and a break-off point 32.
  • the amount of all break-off points forms the tear-off edge 29 of the shaft 18, the inflow points 30 form the leading edge 28 (FIG. FIG. 1 ).
  • the thickness reserve D in the present case is about 60% and is measured from the leading edge.
  • the figures refer to a projection on the propeller axis of rotation A P , such as in FIG. 3 is shown.
  • FIG. 3b also shows a drive axle 34, which from a in FIG. 1 schematically drawn gear and provides a drive torque for the two propellers 22, 28 provides.
  • the drive shaft 34 extends through an interior 40 of the shaft 18.
  • the interior 40 is the imaginary surface which has the same center of gravity as the cross-section Q, is similar to the cross-section Q and has a quarter of its surface area.
  • the drive axle 34 ( FIG. 1 ) is connected to the propellers 22, 26 such that a pusher propeller direction of rotation ⁇ 26 of the pusher propeller 26 is opposite to a traction propeller direction of rotation ⁇ 22 of the traction propeller 22.
  • FIG. 3b also shows that the cross-section Q has two extreme points P1, P2 of maximum deviation from the chord S and a thickness-return point P D , in which the chord S is cut from a connecting line through the outermost points P1, P2.
  • the thickness reserve points P D lie at least in sections with respect to a longitudinal extension of the shaft 18 on a curve which extends through the interior 40.
  • the curve can also be a straight line.
  • FIG. 5 indicates the thickness distribution.
  • the thickness t is measured perpendicular to the chord S ( FIG. 3b ).
  • FIG. 6 shows a view from above of the propeller nacelle 14. It can be seen that the traction propeller 22 in a longitudinal plane E L , which runs parallel through the Switzerlandpropeller rotation axis A P and through the shaft 18, in the present case vertically, an outflow angle ⁇ has, under the promoted by the drafting propeller 22 water 36 flows from the drafting propeller 22.
  • the direction angle ⁇ is chosen so that it deviates by at most 10 ° from the outflow angle ⁇ .
  • FIG. 6 shows an outer contour of a longitudinal nacelle 38, which is part of the propeller nacelle 14 with the shaft 18.
  • FIG. 6 shows a horizontal plane E H , which is perpendicular to the transverse plane E Q and the longitudinal plane E L and in the installation position of the propeller nacelle usually runs horizontally.
  • the longitudinal nacelle 38 runs with its longitudinal axis parallel to the propeller axis of rotation A P. It can be seen that the outflow angle ⁇ is measured in the horizontal plane E H and refers to the point at which the traction propeller 22 passes through the longitudinal plane E L adjacent to the shaft 18.
  • the illustrated propeller pods or pod drives are particularly suitable for power ranges between 700 kW and 3000 kW. They are also capable of speeds over 40 knots. Due to the changing direction angles, efficiency improvements of at least 10% compared to conventional propeller pods can be achieved.
  • the maximum direction angle ⁇ max is preferably at most 15 °.
  • Related to the cylindrical surfaces shown in the figures are used in the present case symmetrical profiles.
  • the proposed system can be equipped as a pod drive with counter-rotating propellers, that is, in the operation counter-rotating propellers.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Propellergondel (14) mit einem Rumpf (16), der einen Schaft (18) zum Befestigen an einem Fahrzeug (10), insbesondere einem Wasserfahrzeug, aufweist, wobei der Schaft (18) sich entlang einer Schaftachse (AS) erstreckt und mindestens einen Querschnitt (Q) mit einer Sehne (S) hat, und (b) mindestens einer Propellerwelle (20, 24) zum Befestigen eines Propellers (22), (c) wobei die Sehne (S) unter einem Richtungswinkel (±) zu einer Propeller-Drehachse (AP) der Propellerwelle (20, 24) verläuft. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Richtungswinkel (±) zumindest abschnittsweise mit einem Abstand (r) von der Propeller-Drehachse (AP) ändert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Propellergondel mit (a) einem Rumpf, der einen Schaft zum Befestigen an einem Fahrzeug, insbesondere einem Wasserfahrzeug, aufweist, wobei der Schaft sich entlang einer Schaftachse erstreckt, und mindestens einen Querschnitt mit einer Sehne hat, und (b) mindestens einer Propellerwelle zum Befestigen eines Propellers, wobei die Sehne bezüglich einer Richtungswinkelmessfläche unter einem Richtungswinkel zu einer Propeller-Drehachse der Propellerwelle verläuft.
  • Derartige Propellergondeln werden in so genannten Pod-Antrieben verwendet. Pod-Antriebe werden eingesetzt, wenn beispielsweise bei Schiffen ein besonders hoher Wirkungsgrad und eine kompakte Bauweise gewünscht sind. Pod-Antriebe finden daher beispielsweise in Fähren und auf Yachten Verwendung.
  • Aus der EP 1 336 561 B1 ist ein Pod-Antrieb bekannt. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist der unbefriedigende Wirkungsgrad. Bei hohen Geschwindigkeiten neigen derartige Pod-Antriebe zudem zu Kavitation.
  • Eine weitere Propellergondel ist aus der DE 35 19 103 bekannt. In dieser Ausführungsform ist der Schaft prismatisch ausgebildet und steht unter einem festen Richtungswinkel relativ zur Drehachse des Propellers. Auch derartige Pod-Antriebe neigen zur Kavitation. Zur Kavitationsverminderung wird der Schaft lang und schlank ausgeführt und drehbar am Schiffsrumpf befestigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
  • Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Propellergondel, bei der sich der Richtungswinkel zumindest abschnittsweise mit einem Abstand von der Propeller-Drehachse ändert.
  • Vorteilhaft an dieser Propellergondel ist, dass sie einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist. Durch den sich höhenabhängig ändernden Richtungswinkel wird nämlich die vom Zugpropeller in den Wasserstrom eingebrachte Drallbewegung besonders widerstandsarm am Schaft vorbeigeführt.
  • Aufgrund des hohen Wirkungsgrades neigt ein Pod-Antrieb mit der erfindungsgemäßen Propellergondel zudem wenig zu Kavitation.
  • Es ist ein weiterer Vorteil, dass die vorgestellten Vorteile mit konstruktiv relativ einfachen Maßnahmen erreicht werden können.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden unter dem Rumpf insbesondere alle diejenigen Bauteile der Propellergondel verstanden, die von außen sichtbar sind und beim Betrieb nicht rotieren.
  • Unter dem Schaft des Rumpfs wird insbesondere ein Teil der Propellergondel verstanden, mit dem die Propellergondel an einem Fahrzeug, insbesondere einem Wasserfahrzeug, befestigt ist. Im eingebauten Zustand verläuft die Schaftachse in der Regel unter einem Winkel von annähernd 90 Grad zu einer Tangentialfläche des Schiffsrumpfs. Meist verläuft die Schaftachse vertikal.
  • Unter dem Merkmal, dass die Schaftachse mindestens einen Querschnitt mit einer Sehne hat, wird insbesondere verstanden, dass es möglich ist, nicht aber notwendig, dass alle Querschnitte gleichartig sind. So ist es möglich, dass die Querschnitte im mathematischen Sinne ähnlich oder gar gleich sind. So ist es möglich, dass sich beispielsweise eine Querschnittsfläche des Schafts mit dem Abstand von der Zugpropeller-Drehachse ändert.
  • Unter dem Merkmal, dass die Sehne unter einem Richtungswinkel zur Zugpropeller-Drehachse des Propellers verläuft, ist insbesondere zu verstehen, dass dieser Richtungswinkel bezüglich einer Bezugsfläche bestimmt wird. Bei dieser Bezugsfläche kann es sich um eine Fläche handeln, die gekrümmt ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Bezugsfläche um eine Zylindermantelfläche eines Zylinders, dessen Längsachse mit der Zugpropeller-Drehachse zusammenfällt.
  • Alternativ ist es auch möglich, die Bezugsfläche als Ebene zu wählen, die senkrecht zur Schaftachse verläuft. Die Bezugsfläche ist dabei stets so gewählt, dass die Sehne eindeutig bestimmt ist. Bei der Sehne handelt es sich um die Verbindung zwischen der Profil-Nase und der Profil-Hinterkante des Querschnitts. Insofern ist auch der Begriff Profilsehne gebräuchlich, Die Profil-Nase kann auch als Anströmpunkt bezeichnet werden, die Profil-Hinterkante als Abrisspunkt.
  • Unter dem Merkmal, dass sich der Richtungswinkel zumindest abschnittsweise mit dem Abstand von der Zugpropeller-Drehachse ändert, wird insbesondere verstanden, dass es möglich ist, dass der Richtungswinkel in anderen Abschnitten vom Abstand von der Zugpropeller-Drehachse unabhängig ist. Mit anderen Worten kann der Schaft abschnittsweise pyramidal oder prismatisch ausgebildet sein.
  • Es ist möglich, dass auch ein Längsrumpf, der am Schaft befestigt ist und sich entlang der Propeller-Drehachse erstreckt, in einem Bereich, der sich in Verlängerung des Schafts erstreckt, eine Schränkung aufweist. Der Schaft wird nämlich in der Regel kontinuierlich in die Längsgondel übergehen. Das heißt, dass der genannte Bereich eine lokale Längsachse aufweist, die unter dem Richtungswinkel zur Propellerachse verläuft. In diesem Bereich wird der Richtungswinkel beispielsweise in einer in Einbaustellung horizontalen Ebene gemessen. Wenn in der vorliegenden Beschreibung vom Richtungswinkel gesprochen wird, so ist darunter auch dieser Winkel zu verstehen, der im genannten Bereich der Längsgondel gebildet ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es vorteilhaft ist, wenn der Schaft und/oder zumindest Teile der Längsgondel eine Schränkung aufweisen. Anders als bei Tragflächen hat diese Schränkung aber nicht den Zweck, einen plötzlichen kompletten Strömungsabriss dadurch zu verhindern, dass der Strömungsabriss zunächst rumpfnah auftritt. Der Schaft hat nämlich in der Regel eine solche Form, dass in Summe durch die Strömung keine Kräfte in Querrichtung auf den Schiffsrumpf übertragen werden. Die Schränkung dient vielmehr der Widerstandsverringerung.
  • Bei dem Propeller handelt es sich vorzugsweise um einen Zugpropeller, der an einer Zugpropellerwelle befestigt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Propellergondel eine Schubpropellerwelle zum Drehen eines Schubpropellers, wobei der Schaft bezüglich einer Längsachse des Rumpfs oder der Propeller-Drehachse zwischen dem Zugpropeller und dem Schubpropeller angeordnet ist. In anderen Worten strömt das Wasser zunächst zum Zugpropeller, der es am Schaft vorbei auf den Schubpropeller leitet. Zugpropeller und Schubpropeller sind bevorzugt so ausgebildet, dass die Wasserströmung hinter dem Schubpropeller im Wesentlichen drallfrei ist. Das kann dadurch erreicht werden, dass der Zugpropeller einen größeren Durchmesser hat als der Schubpropeller. Die Schubpropellerwelle und die Zugpropellerwelle können als Teilwellen der Propellerwelle aufgefasst werden, auch wenn sie nicht drehstarr miteinander verbunden sind. Sie verlaufen in der Regel koaxial.
  • Besonders bevorzugt ist die Zugpropellerwelle zum Drehen des Zugpropellers in einer Zugpropeller-Drehrichtung ausgebildet, wobei die Schubpropellerwelle zum Drehen des Schubpropellers in einer Schubpropeller-Drehrichtung ausgebildet ist, die der Zugpropeller-Drehrichtung entgegengesetzt ist. Dazu umfasst die Propellergondel in der Regel ein Getriebe, vorzugsweise ein Kegelradgetriebe.
  • Ein Pod-Antrieb mit der erfindungsgemäßen Propellergondel ist damit ein gegenrotierender Antrieb. Erfindungsgemäß ist daher auch eine gattungsgemäße Propellergondel, bei der die Zugpropellerwelle und die Schubpropellerwelle zum Drehen der jeweiligen Propeller in entgegengesetzte Drehrichtungen ausgebildet sind, wobei der Schaft zwischen beiden Propellern angeordnet ist. Bisher sind lediglich Pod-Antriebe bekannt, bei denen gegeneinander rotierende Propeller auf jeweils der gleichen Seite des Schafts angeordnet sind. Der Grund dafür ist, dass bei bisherigen Propellergondeln der Widerstand am Schaft aufgrund der drallbehafteten Strömung des Zugpropellers unverhältnismäßig groß gewesen wäre, so dass Propellergondein, bei denen zwei gegenläufige Propeller durch den Schaft getrennt sind, nicht gebaut wurden. Der hohe Widerstand wird durch die optimierte Schaftform weitgehend verringert. Zudem werden ansonsten auftretende Schwingungen vermieden. Die in der vorliegenden Beschreibung genannten bevorzugten Ausführungsformen beziehen sich auch auf diese Erfindung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaft so ausgestaltet, dass der Richtungswinkel in Abhängigkeit von dem Abstand von der Zugpropeller-Drehachse ein Richtungswinkel-Maximum durchläuft. Es hat sich herausgestellt, dass der genaue Verlauf des Richtungswinkels in Abhängigkeit vom Abstand von der Leistung abhängig ist, die vom Pod-Antrieb zu übertragen ist. Den Verlauf so zu wählen, dass ein Maximum durchlaufen wird, hat sich dabei als besonders vorteilhaft herausgestellt.
  • Besonders bevorzugt beträgt der zum Richtungswinkel-Maximum gehörige Abstand höchstens das 0,6-fache eines Propeller-Radius. Unter dem Propeller-Radius wird dann, wenn lediglich ein Propeller vorhanden ist, dessen Durchmesser verstanden. Sind zwei oder mehr Propeller vorhanden, so wird unter dem Propeller-Radius insbesondere der Durchmesser des in Strömungsrichtung zuvorderst liegenden Propellers verstanden.
  • Günstig ist es, wenn der Abstand, der zum Richtungswinkel-Maximum wird, höchstens dem halben Zugpropeller-Radius entspricht. Es hat sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn der zum Richtungswinkel-Maximum zugehörige Abstand bei mindestens dem 0,2-fachen des Propeller-Radius liegt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Zugpropeller bezüglich einer Längsebene, die parallel durch die Zugpropeller-Drehachse und in Betriebsstellung vorzugsweise vertikal verläuft, einen Abströmwinkel, unter dem vom Zugpropeller gefördertes Wasser vom Zugpropeller abströmt. Der Schaft ist so gestaltet, dass der Richtungswinkel um höchstens 10 Grad, insbesondere 5 Grad, vom Abströmwinkel abweicht. Das hat den Vorteil, dass das vom Zugpropeller abströmende Wasser den Schaft zum großen Teil tangential anströmt. Das vermeidet Verwirbelungsverluste und vermindert die Neigung zu Kavitation.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Querschnitte des Schafts, insbesondere bezüglich eines Querschnitts in einem Zylinderkoordinatensystem mit Ursprung in der Zugpropeller-Drehachse, zumindest abschnittsweise im mathematischen Sinne ähnlich. In einem Sonderfall sind die Querschnitte gleich, das heißt dass sie ähnlich sind und den gleichen Flächeninhalt aufweisen. Es lässt sich so ein besonders einfach aufgebauter Schaft erreichen, der gleichzeitig geringe Querkräfte erzeugt.
  • Bevorzugt sind zumindest abschnittsweise die Querschnitte des Schafts spiegelsymmetrisch. Dabei bezieht sich die Eigenschaft der Spiegelsymmetrie vorzugsweise wiederum auf den Querschnitt bezüglich eines Zylinderkoordinatensystems mit Ursprung in der Zugpropeller-Drehachse.
  • Bevorzugt haben die Querschnitte des Schafts zumindest abschnittsweise eine Dickenrücklage von mehr als 40 %, insbesondere von weniger als 60 %. Derartige Querschnitte verringern den Widerstand besonders effektiv. Die Dickenrücklage wird in Bezug auf die Propeller-Drehachse von der Projektion der Anströmkante auf die Propeller-Drehachse aus gemessen.
  • Bevorzugt verläuft eine Projektion einer Anströmkante des Schafts auf eine Querebene, die senkrecht auf der Zugpropeller-Drehachse steht, gekrümmt. In anderen Worten sind die Querschnitte relativ zu ihren Nachbarn verdreht und gegebenenfalls auch verschoben. Sind die Querschnitte nur verdreht, so existiert ein Punkt des Querschnitts, der seine Position nicht verändert und in einem Inneren des Querschnitts liegt. Unter dem Inneren des Querschnitts wird die Region verstanden, die zum Querschnitt ähnlich ist, den gleichen geometrischen Schwerpunkt hat und ein Viertel des Flächeninhalts des Querschnitts aufweist.
  • Ebenfalls bevorzugt verläuft eine Projektion einer Abrisskante des Schafts auf eine Querebene, die senkrecht auf der Zugpropeller-Drehachse steht, gekrümmt.
  • Dadurch, dass die Projektion der Anströmkante und/oder der Abrisskante gekrümmt verläuft, schmiegt sich der vom Zugpropeller kommende Wasserstrom in Abhängigkeit vom Abstand der betrachteten Position von der Zugpropeller-Drehachse optimal an den Schaft an. So wird der Strömungswiderstand minimiert und der Wirkungsgrad steigt.
  • Bevorzugt hat jeder Querschnitt zwei äußerste Punkte maximaler Abweichung von der Sehne und einen Dickenrücklage-Punkt, in dem die Sehne von einer Verbindungsgeraden durch die äußersten Punkte geschnitten wird, wobei die Dickenrücklage-Punkte auf einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Kurve liegen. Diese Gerade verläuft bevorzugt durch das Innere des Querschnitts.
  • Vorzugsweise verläuft eine Antriebswelle zumindest abschnittsweise durch ein Inneres des Querschnitts, wobei das Innere eine gedachte Fläche ist, die ein Viertel des Flächeninhalts des Querschnitts und den gleichen Schwerpunkt hat.
  • Günstig ist es, wenn der Richtungswinkel benachbart zum Schiffsrumpf ein Minimum aufweist. So mündet der Schaft vorzugsweise mit einem Richtungswinkel von im Wesentlichen 0°, also insbesondere weniger als 5°, in den Schiffsrumpf ein. In der Regel befindet sich der Bereich des Schafts mit dem minimalen Richtungswinkel am Übergang von Schaft und Schiffsrumpf.
  • Vorzugsweise verläuft eine Projektion des Schafts auf die Querebene zumindest abschnittsweise konkav oder bikonkav. Das heißt mit anderen Worten, dass sich der Querschnitt des Schafts mit zunehmendem Abstand von der Zugpropeller-Drehachse zunächst vermindert und anschließend wieder vergrößert. Das minimiert den Widerstand, den die Propellergondel dem umgebenden Fluid, beispielsweise dem Wasser, entgegensetzt. Günstig ist es, wenn der Punkt minimalen Querschnitts einen Abstand von der Zugpropeller-Drehachse hat, der größer ist als der Rotordurchmesser.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
    • Figur 1
    ein erfindungsgemäßes Schiff mit einem erfindungsgemäßen Pod- Antrieb, der seinerseits eine erfindungsgemäße Propellergondel aufweist,
    Figur 2
    eine Ansicht in Richtung A auf dem Pod-Antrieb gemäß Figur 1,
    Figur 3
    mit den Teilfiguren 3a und 3b eine Reihe von Querschnitten gemäß meh- rerer Richtungswinkelmessflächen,
    Figur 4
    eine Kurve, die den Richtungswinkel in Abhängigkeit vom Abstand von der Zugpropeller-Drehachse angibt,
    Figur 5
    eine Kurve, die eine Dicke des Querschnitts in Abhängigkeit vom Abstand von der Zugpropeller-Drehachse zeigt und
    Figur 6
    eine Ansicht von oben.
  • Figur 1 zeigt ein Schiff 10 mit einem Schiffsrumpf 12, an dem eine Propellergondel 14, beispielsweise starr, befestigt ist. Die Propellergondel 14 umfasst einen Rumpf 16, der seinerseits einen Schaft 18 besitzt. Der Schaft 18 erstreckt sich entlang einer Schaftachse As, die in Einbaulage, das heißt dann, wenn das Schiff 10 sich nicht bewegt, in der Regel vertikal verläuft.
  • Die Propeller-Gondel 14 umfasst zudem eine Zugpropellerwelle 20, an der ein Zugpropeller 22 befestigt ist. An einer Schubpropellerwelle 24 der Propellergondel 14 ist ein Schubpropeller 26 angebracht. Der Zugpropeller 22 und der Schubpropeller 26 drehen um eine Propeller-Drehachse AP, von der aus ein radialer Abstand r gemessen wird.
  • Figur 2 zeigt eine Ansicht gemäß der Pfeile A in Figur 1 auf den Zugpropeller 22. Es sind Richtungswinkelmessflächen F in Form der Richtungswinkelmessflächen FH1, FH2 eingezeichnet, die jeweils Zylindermantelflächen bezüglich eines Zylinders sind, dessen Längsachse mit der Propeller-Drehachse AP zusammenfällt. Die im Folgenden gemachten Angaben beziehen sich, sofern nichts Weiteres gesagt ist, stets auf das Zylinderkoordinatensystem, dessen Ursprung die Propeller-Drehachse AP ist.
  • Figur 2a zeigt eine Ansicht in Richtung A (vgl. Figur 1). Es ist eine Anströmkante 28 des Schafts 18 zu erkennen, die bezüglich einer Querebene EQ gekrümmt verläuft. Die Querebene EQ ist diejenige Ebene, die auf der Propeller-Drehachse Ap und auf allen Richtungswinkelmessflächen FH senkrecht steht.
  • Figur 2b zeigt eine Ansicht in Richtung B (vgl. Figur 1), in der eine Abrisskante 29 zu erkennen ist, die ebenfalls gekrümmt verläuft und sich mit zunehmendem Abstand vom Schiffsrumpf von einer Horizontalen H entfernt, bis ein nicht eingezeichnetes Maximum durchlaufen wird.
  • Figur 3 zeigt Querschnitte Q1, Q2 durch den Schaft 18 bezüglich zweier radialer Abstände r. Figur 3b zeigt den Fall r = R, der der Richtungswinkelmessfläche FH1 entspricht (vergl. Figur 2). Figur 3a entspricht beispielsweise dem Fall r = 0,5 R. Es ist zu erkennen, dass ein Richtungswinkel α zwischen einer Sehne S und der Propeller-Drehachse AP besteht. Der Richtungswinkel α wird, wie in den Figuren 3 gezeigt, in der Richtungswinkelmessfläche FH gemessen. Die Sehne S verläuft von einem Anströmpunkt 30, an dem sich das anströmende Fluid scheidet, und einem Abrisspunkt 32. Die Menge aller Abrisspunkte bildet die Abrisskante 29 des Schafts 18, die Anströmpunkte 30 bilden die Anströmkante 28 (Figur 1).
  • Die in den Figuren 3a und 3b gezeigten Profile Q haben jeweils eine Dickenrücklage D, die in Anteilen einer Sehnenlänge L angegeben wird. Die Dickenrücklage D beträgt im vorliegenden Fall ca. 60 % und wird von der Anströmkante aus gemessen. Die Angaben beziehen sich auf eine Projektion auf die Propeller-Drehachse AP, wie in Figur 3 gezeigt ist.
  • Figur 3b zeigt zudem eine Antriebsachse 34, die von einem in Figur 1 schematisch eingezeichneten Getriebe abgeht und ein Antriebsdrehmoment für die beiden Propeller 22, 28 bereitstellt. Die Antriebsachse 34 verläuft durch ein Inneres 40 des Schafts 18. Das Innere 40 ist die gedachte Fläche, die den gleichen Schwerpunkt hat wie der Querschnitt Q, zum Querschnitt Q ähnlich ist und ein Viertel von dessen Flächeninhalt hat.
  • Die Antriebsachse 34 (Figur 1) ist so mit den Propellern 22, 26 verbunden, dass eine Schubpropeller-Drehrichtung ω26 des Schubpropellers 26 einer Zugpropeller-Drehrichtung ω22 des Zugpropellers 22 entgegengesetzt ist.
  • Figur 3b zeigt zudem, dass der Querschnitt Q zwei äußerste Punkte P1, P2 maximaler Abweichung von der Sehne S und einen Dickenrücklage-Punkt PD hat, in dem die Sehne S von einer Verbindungsgeraden durch die äußersten Punkte P1, P2 geschnitten wird. Die Dickenrücklage-Punkte PD liegen zumindest abschnittsweise bezüglich einer Längserstreckung des Schafts 18 auf einer Kurve, die durch das Innere 40 verläuft. Die Kurve kann auch eine Gerade sein.
  • Figur 4 zeigt die Abhängigkeit des Richtungswinkels α von dem radialen Abstand r, der auf den Propeller-Durchmesser R normiert ist. Es ist zu erkennen, dass mit zunehmenden Abstand r von der Propeller-Drehachse AP der Richtungswinkel α ab α = 0,15R zunächst streng monoton ansteigt, bis er ein Richtungswinkel-Maximum im maximalen Richtungswinkel αmax durchläuft. Günstig ist, wenn αmax > 0,2R, insbesondere αmax > 0,25R, gilt. Im vorliegenden Fall ist der maximale Richtungswinkel αmax = 9,3 Grad und wird bei r = 0,3 R erreicht.
  • Wie Figur 1 zeigt, hat eine Bug-Propellernabe einen maximalen Nabenradius R20, wobei für diesen im vorliegenden Fall R20 = 0,4 R gilt.
  • Figur 5 gibt die Dickenverteilung an. Die Dicke t wird senkrecht zur Sehne S gemessen (Figur 3b).
  • Figur 6 zeigt eine Ansicht von oben auf die Propellergondel 14. Es ist zu erkennen, dass der Zugpropeller 22 in einer Längsebene EL, die parallel durch die Zugpropeller-Drehachse AP und durch den Schaft 18, im vorliegenden Fall vertikal, verläuft, einen Abströmwinkel δ hat, unter dem vom Zugpropeller 22 gefördertes Wasser 36 vom Zugpropeller 22 abströmt. Der Richtungswinkel α ist so gewählt, dass er um höchstens 10° vom Abströmwinkel δ abweicht.
  • Der Abströmwinkel δ ändert sich mit dem Abstand r. Aus diesem Grund ergibt sich die in Figur 4 gezeigte Abhängigkeit des Richtungswinkels α vom Abstand r.
  • Figur 6 zeigt eine Außenkontur einer Längsgondel 38, die mit dem Schaft 18 Teil der Propellergondel 14 ist. Figur 6 zeigt eine Horizontalebene EH, die senkrecht auf der Querebene EQ und der Längsebene EL steht und in Einbaulage der Propellergondel in der Regel horizontal verläuft. Die in Figur 4 angegebenen Richtungswinkel α werden aber bevorzugt bezüglich der Richtungswinkelmessflächen FH ermittelt (vgl. Figur 2). Die Längsgondel 38 verläuft mit seiner Längsachse parallel zur Propeller-Drehachse AP. Es ist zu erkennen , dass der Abströmwinkel δ in der Horizontalebene EH gemessen wird und sich auf die Stelle bezieht, an der der Zugpropeller 22 benachbart zum Schaft 18 durch die Längsebene EL tritt.
  • Die gezeigten Propellergondein bzw. Pod-Antriebe sind besonders geeignet für Leistungsbereiche zwischen 700 kW und 3000 kW. Sie sind auch geeignet für Geschwindigkeiten von über 40 Knoten. Durch die sich verändernden Richtungswinkel können Wirkungsgradverbesserungen gegenüber konventionellen Propellergondeln von mindestens 10 % erreicht werden.
  • Geeignete Propellerdurchmesser liegen zwischen R = 500 mm und R = 1500 mm. Der maximale Richtungswinkel αmax beträgt bevorzugt höchstens 15°. Bezogen auf die in den Figuren gezeigten zylindrischen Flächen werden im vorliegenden Fall symmetrische Profile eingesetzt.
  • Das vorgestellte System kann als Pod-Antrieb mit Counter-Rotating-Propellern, das heißt sich im Betrieb gegenläufig drehenden Propellern ausgestattet sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Schiff
    12
    Schiffsrumpf
    14
    Propellergondel
    16
    Rumpf
    18
    Schaft
    20
    Zugpropellerwelle
    22
    Zugpropeller
    24
    Schubpropellerwelle
    26
    Schubpropeller
    28
    Anströmkante
    29
    Abrisskante
    30
    Anströmpunkt
    32
    Abrisspunkt
    34
    Antriebswelle
    36
    Wasser
    38
    Längsgondel
    40
    Inneres
    α
    Richtungswinkel
    δ
    Abströmwinkel
    AS
    Schaftachse
    AP
    Propeller-Drehachse (Zug- propeller-Drehachse)
    EQ
    Querebene
    EL
    Längsebene
    FH
    Richtungswinkelmessfläche
    r
    Abstand
    R
    Zugpropeller-Durchmesser
    R20
    Nabenradius
    S
    Sehne
    D
    Dickenrücklage
    L
    Sehnenlänge
    Q
    Querschnitte

Claims (15)

  1. Propellergondel (14) mit
    (a) einem Rumpf (16), der
    (i) einen Schaft (18) zum Befestigen an einem Fahrzeug (10), insbesondere einem Wasserfahrzeug, aufweist,
    (ii) wobei der Schaft (18) sich entlang einer Schaftachse (AS) erstreckt und mindestens einen Querschnitt (Q) mit einer Sehne (S) hat, und
    (b) mindestens einer Propellerwelle (20, 24) zum Befestigen eines Propellers (22),
    (c) wobei die Sehne (S) unter einem Richtungswinkel (α) zu einer Propeller-Drehachse (AP) der Propellerwelle (20, 24) verläuft,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    (d) sich der Richtungswinkel (α) zumindest abschnittsweise mit einem Abstand (r) von der Propeller-Drehachse (Ap) ändert.
  2. Propellergondel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
    - eine Zugpropellerwelle (20) zum Drehen eines Zugpropellers (22) und
    - eine Schubpropellerwelle (24) zum Drehen eines Schubpropellers (26),
    - wobei der Schaft (18) bezüglich einer Längsachse des Rumpfs (16) zwischen dem Zugpropeller (22) und dem Schubpropeller (26) angeordnet ist.
  3. Propellergondel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Zugpropellerwelle (20) zum Drehen des Zugpropellers (22) in einer Zugpropeller-Drehrichtung (ω22) ausgebildet ist und
    - die Schubpropellerwelle (24) zum Drehen des Schubpropellers (26) in einer Schubpropeller-Drehrlchtung (ω26), die der Zugpropeller-Drehrichtung (ω22) entgegengesetzt ist, ausgebildet ist.
  4. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtungswinkel (α) in Abhängigkeit von einem Abstand (r) von der Zugpropeller-Drehachse (AP) ein Richtungswinkel-Maximum durchläuft.
  5. Propellergondel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Richtungswinkel-Maximum gehörige Abstand (r) höchstens das 0,6-fache eines Propeller-Radius (R) beträgt.
  6. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Zugpropeller (22) in einer Längsebene (EL), die parallel durch die Zugpropeller-Drehachse (AP) und durch den Schaft (18) verläuft, einen Abströmwinkel (δ) hat, unter dem vom Zugpropeller (22) gefördertes Wasser vom Zugpropeller (22) abströmt und
    - der Richtungswinkel (α) um höchstens 10°, insbesondere um höchstens 5°, vom Abströmwinkel (δ) abweicht.
  7. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise die Querschnitte (Q) des Schafts (18) bezüglich eines Zylinderkoordinatensystems mit Ursprung in der Zugpropeller-Drehachse (AP) im geometrischen Sinn ähnlich sind.
  8. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise die Querschnitte (Q) des Schafts (18) bezüglich des Zylinderkoordinatensystems mit Ursprung in der Zugpropeller-Drehachse (AP) im Wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Spiegelebene, in der die Sehne verläuft, sind.
  9. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte (Q) des Schafts (18) zumindest abschnittsweise eine Dickenrücklage (D) von mehr als 40% und insbesondere weniger als 60% haben.
  10. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektion einer Anströmkante (28) des Schafts (18) auf eine Querebene (EQ), die senkrecht auf der Zugpropeller-Drehachse (AP) steht, zumindest abschnittsweise gekrümmt verläuft.
  11. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise
    - jeder Querschnitt (Q) zwei äußerste Punkte (P1, P2) maximaler Abweichung von der Sehne (S) und
    einen Dickenrücklage-Punkt (PD), in dem die Sehne (S) von einer Verbindungsgeraden durch die äußersten Punkte (P1, P2) geschnitten wird, aufweist,
    - wobei die Dickenrücklage-Punkte (PD) auf einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Kurve liegen.
  12. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
    - eine Antriebswelle (34) zum Antreiben des Zugpropellers (22) und/oder des Schubpropeller (26),
    - wobei die Antriebswelle (34) zumindest abschnittsweise durch ein Inneres (40) des Querschnitts (Q) verläuft, wobei das Innere (40) ein Viertel des Flächeninhalts des Querschnitts (Q) und den gleichen Schwerpunkt hat.
  13. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektion des Schafts (18) auf die Querebene (EQ) konkav oder bikonkav ist.
  14. Propellergondel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtungswinkel (α) benachbart zum Schiffsrumpf (12) ein Minimum aufweist.
  15. Schiff (10), insbesondere Yacht, mit mindestens einer Propellergondel (14), insbesondere genau zwei Propellergondeln (14), nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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