EP2616327A1 - Verfahren zum betreiben eines schiffes, insbesondere eines frachtschiffes, mit wenigstens einem magnus-rotor - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines schiffes, insbesondere eines frachtschiffes, mit wenigstens einem magnus-rotor

Info

Publication number
EP2616327A1
EP2616327A1 EP11758191.8A EP11758191A EP2616327A1 EP 2616327 A1 EP2616327 A1 EP 2616327A1 EP 11758191 A EP11758191 A EP 11758191A EP 2616327 A1 EP2616327 A1 EP 2616327A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ship
magnus rotor
magnus
force
wind
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP11758191.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Aloys Wobben
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.)
Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wobben Properties GmbH filed Critical Wobben Properties GmbH
Publication of EP2616327A1 publication Critical patent/EP2616327A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H9/00—Marine propulsion provided directly by wind power
    • B63H9/02—Marine propulsion provided directly by wind power using Magnus effect
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system
    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a ship, in particular a cargo ship, with at least one Magnus rotor.
  • Magnus rotors are also referred to as Flettner rotors or sail rotors.
  • the Magnus effect describes an occurrence of a lateral force, i. H. perpendicular to the axis and to Anström direction, in a cylinder which rotates about its axis and which is perpendicular to the axis flows.
  • the flow around the rotating cylinder can be understood as a superposition of a homogeneous flow and a vortex around the body. Due to the uneven distribution of the total flow results in an asymmetrical pressure distribution at the cylinder circumference.
  • a ship is thus provided with rotating or rotating rotors, which in the wind flow one to the effective, d. H. with the maximum speed corrected wind direction, generate vertical force, which can be used for propulsion of the ship similar to sailing.
  • the vertical cylinders rotate about their axis and air flowing in from the side then flows around the cylinder preferably in the direction of rotation due to the surface friction. On the front, therefore, the flow velocity is greater and the static pressure less, so that the ship receives a force in the forward direction.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a ship, in particular a cargo ship, with at least one Magnus rotor, which uses the Magnus effect for purposes other than for the exclusive generation of a propulsive force of the ship. According to the invention, this object is achieved by a method for operating a ship, in particular a cargo ship, with at least one Magnus rotor according to claims 1, 2 and 3 and by a ship according to claim 4.
  • the invention provides a method for operating a ship, in particular a cargo ship, with at least one Magnus rotor, which has a step for detecting the wind direction of a wind. Further, the operation of the at least one Magnus rotor is provided with a direction of rotation, so that by the action between wind and Magnus rotor, a force is generated, which is directed substantially opposite to the forward direction of the ship.
  • the invention also relates to a method for operating a ship, in particular a cargo ship, with at least two Magnus rotors, wherein at least one Magnus rotor is provided on the port side of the ship and at least one Magnus rotor on the starboard side of the ship.
  • the method comprises a step of detecting the wind direction of a wind.
  • the method further includes a step of operating the at least one Magnus rotor on the port side of the vessel in a rotational direction such that force is generated by the action between the wind and the at least one Magnus rotor on the port side of the vessel which is directed substantially in the forward or reverse direction of the ship.
  • the at least one Magnus rotor on the starboard side of the ship is operated in the direction of rotation opposite to the direction of rotation of the at least one Magnus rotor on the port side of the ship, so that by the action between wind and the at least one Magnus rotor on the starboard side of the ship, a force is generated, which is directed substantially opposite to the direction of the force of the at least one Magnus rotor on the port side of the ship.
  • This method is advantageous in that a torque is generated around the center of gravity of the ship by the forces generated on the port side of the ship and the starboard side of the ship.
  • the ship can be rotated in a desired direction, which can be specified by the respective directions of rotation of the port and starboard Magnus rotors. If the ship does not experience any other forward or backward directed force, the ship's rotation essentially takes place on the spot. If e.g. by a screw generates a forward or backward force, so the ship can be deflected by means of this torque in one or the other direction, without using a rudder or to assist in the deflection.
  • the degree of deflection by the Magnus effect can be determined by the respective rotational speeds of the Magnus rotors.
  • the invention also relates to a method for operating a ship, in particular a cargo ship, with at least two Magnus rotors, wherein at least one Magnus rotor is provided on the port side of the ship and at least one Magnus rotor on the starboard side of the ship.
  • the method comprises a step of detecting the wind direction of a wind.
  • the method further includes a step of operating the at least one Magnus rotor on the port side of the ship. fes and the at least one Magnus rotor on the starboard side of the ship with the same direction of rotation, so that by the action between wind and the at least two Magnus rotors a force is generated, which is substantially in the direction of forward or backward movement of the ship.
  • the speed of rotation of the at least one Magnus rotor on the port side of the ship is different from the rotational speed of the at least one Magnus rotor on the starboard side of the ship.
  • This method is advantageous, since in a forward or backward movement, which is caused at least in part by the Magnus rotors, a deflection of the ship can take place only or in support of the Magnus rotors. Thus, the deflection can be done together with a rudder to assist them, or even solely by the operation of the invention Magnus rotors to completely relieve the rudder.
  • the invention also relates to a ship, in particular a cargo ship, with at least one Magnus rotor, an electric motor associated with the Magnus rotor and an associated converter.
  • the ship further comprises a control unit for controlling the inverter, the motor and thus the Magnus rotor.
  • the control unit In a first operating mode, the control unit is designed to operate the at least one Magnus rotor in one direction of rotation, so that a force is generated by the effect between wind and magus rotor, which is directed substantially opposite to a forward direction of the ship , In a second mode of operation, the control unit is configured to operate a first Magnus rotor on the port side of the ship in a first direction of rotation such that force is generated by the action between the wind and the first Magnus rotor substantially in the direction the forward direction or the rearward direction of the ship is directed.
  • the control unit is further configured to operate a second Magnus rotor on the starboard side of the ship in a second direction of rotation opposite to the first direction of rotation so that a force is generated by the action between the wind and the at least one second Magnus rotor which is directed substantially opposite to the direction of the force of the at least one first Magnus rotor.
  • the control unit is configured to operate a first Magnus rotor on the port side and a second Magnus rotor on the starboard side with the same direction of rotation, so that by the action between wind and the first and second Magnus rotor Force is generated, which is essentially is directed in the direction of forward or backward movement of the ship.
  • the rotational speed of the at least first Magnus rotor is different from the rotational speed of the second Magnus rotor.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a ship with four Magnus rotors
  • Fig. 2 shows a block diagram of a control of the ship with four Magnus rotors
  • Fig. 3 shows a perspective detail view of the ship with four Magnus rotors
  • Fig. 4 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors
  • Fig. 5 is a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors for generating propulsive force
  • Fig. 6 is a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors for generating a recoil force
  • Fig. 7 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors for generating a moment around the ship's center of gravity
  • Fig. 8 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors for generating a propulsion force and a moment around the ship's center of gravity;
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a Magnus rotor according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of a Magnus rotor of a ship, with a rotor receptacle
  • FIG. 11 shows the representation from FIG. 10 with a vector diagram
  • FIGS. 10 and 11 shows the illustration of FIGS. 10 and 11 with a vector diagram
  • FIG. 13 shows the illustration from FIG. 12 with an alternative vector diagram.
  • 1 shows a perspective view of a ship with four Magnus rotors 10.
  • the ship has a hull, consisting of an underwater area 16 and an overwater area 15. Furthermore, the ship has four Magnus rotors 10, which are arranged at the four corners of the fuselage and are preferably cylindrical.
  • the four Magnus rotors 10 represent wind-operated drives for the ship according to the invention.
  • the ship has a bridge 30 arranged in the foredeck.
  • the ship has under water a screw 50 and a propeller 50 and a rudder 60 or a rudder 60 on.
  • the ship may also have transverse thrusters, preferably one at the stern and one to two transverse thrusters at the bow (not shown).
  • these transverse thrusters are electrically driven.
  • the bridge 30 and all structures above the weather deck 14 an aerodynamic shape to reduce the wind resistance. This is achieved in particular by substantially avoiding sharp edges and sharp-edged attachments. In order to minimize the wind resistance and to achieve an aerodynamic shaping, as few superstructures are provided.
  • Fig. 2 shows a block diagram of a control of the ship with four Magnus rotors.
  • Each of the four Magnus rotors 10 has its own motor M and a separate inverter U.
  • the inverters U are connected to a central control unit SE.
  • a diesel engine DA is connected to a generator G to generate electrical energy.
  • a group of several individual diesel drives DA can also be connected to the generator G or a corresponding number of individual generators G which, viewed as a whole, provide the same output to the outside as a correspondingly large single diesel engine DA or Generator G.
  • the respective inverter U are connected to the generator G.
  • a main drive HA is shown, which is likewise connected to an electric motor M, which in turn is connected to a separate frequency converter U both to the control unit SE and to the generator G.
  • the four Magnus rotors 10 can be controlled both individually and independently of each other.
  • the control of the Magnus rotors 10 and the main drive HA is performed by the control unit SE, which from the current wind measurements (wind speed, wind direction) E1, E2 and based on the information on target and actual speed E3 (and optionally on the basis of navigation information from a Navigation unit NE) determines the corresponding rotational speed and direction of rotation for the individual Magnus rotor 10 and the main drive HA in order to achieve a desired driving force.
  • the control unit SE regulates depending on the thrust of the four Magnus rotors 10 and the current ship speed and the setpoint speed, the main propulsion system HA steplessly down, where necessary.
  • the wind energy performance can be converted directly and automatically into a fuel economy.
  • the ship Due to the independent control of the Magnus rotors 0, the ship can also be controlled without the main drive HA. In particular, by appropriate control of the respective Magnus rotors 10 stabilization of the ship can be achieved in a strong sea state.
  • one or more transverse thrusters QSA may be provided to enhance the maneuverability of the ship.
  • a transverse thruster QSA rear and one to two transverse thrusters QSA front of the ship may be provided.
  • Each transverse thruster QSA is assigned a motor M to the drive and a converter U.
  • the inverter U is in turn connected to the central control unit SE and the generator G.
  • the transverse thrusters (only one shown in Fig.
  • FIG. 3 shows a perspective detailed view of the ship with four Magnus rotors 10. Shown is the control of a single one of the four Magnus rotors 10. This shows the control unit SE for controlling the diesel engine DA, the generator G and the inverter U of the one Magnus rotor 10.
  • the diesel drive DA is used to drive the generator G, which in turn generates electrical energy and feeds this, inter alia, in the illustrated inverter U.
  • the converter U supplies this electrical energy to the motor M in accordance with its control by the control unit SE in order to operate it in terms of the direction of rotation and rotational speed in accordance with the specification of the control unit SE.
  • the generator G its electrical energy and other consumers, such as the inverters U of the other three Magnus rotors 10 of Fig. 1 or the Bordrietz or Querstrahlrudem and the like out. Also, the inverter U can receive electrical energy from other sources.
  • the control unit SE is connected to a control unit BE, which is e.g. can be arranged on the bridge of the ship. About this control unit BE inputs can be made by the staff of the ship to the control unit SE.
  • the operating unit BE can have input options, such as a keyboard or a touchscreen display. Likewise, buttons for pressing or turning, buttons, switches, levers or the like may be provided as input means. These may be physical and / or e.g. be virtually displayed on a touchscreen display. It is also possible to make inputs to the control unit SE via speech input, e.g. via a microphone.
  • information and messages of the control unit SE can also be displayed and output by means of the operating unit BE, e.g. optically on display elements such as displays or monitors, acoustically via loudspeakers, etc., as signal or wam tones or spoken messages or also by means of a printer or plotter as an expression on paper or the like.
  • Fig. 4 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d.
  • the four Magnus rotors 10 of FIG. 1 are shown as Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d.
  • the Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are each driven by the four motors Ma, Mb, Mc and Md, which in turn are each fed and driven by the four inverters Ua, Ub, Uc and Ud.
  • the four inverters Ua, Ub, Uc and Ud are controlled by the control unit SE, which receives its inputs via the operating unit BE.
  • the Magnus rotors 0a, 10b, 10c and 10d can each be controlled individually by the control unit SE by means of the inverters Ua, Ub, Uc and Ud.
  • the control unit BE ie on the control unit BE direct specifications for each of the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are made, then from the Control unit SE are converted into corresponding control signals for the inverter Ua, Ub, Uc and Ud.
  • behavior modes of the ship can also be predetermined by the operating units BE, which are then further processed by the control unit in order to control each individual Magnus rotor 10a, 10b, 10c and 10d such that the interaction of all four Magnus rotors 10a, 10b , 10c and 10d causes the default ship behavior.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d for generating a propelling force.
  • the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 0d without the motors Ma, Mb, Mc and Md, inverter Ua, Ub, Uc and Ud, control unit SE and control unit BE of FIG. 4 are shown in this illustration , In this illustration, from the left, i.
  • the Magnus rotors 10a, 10b, 10c, and 10d are so driven by the control unit SE that they are turned to the right, i. rotate clockwise. Furthermore, in order to generate the same driving force by all four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d, they are also operated at the same rotational speed.
  • Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are controlled in such a way that each of them generates the same driving force F before , then the four propulsion forces Fvor, i add up. F before> 2 , F before> 3 and F vori4 to a total driving force F vori g all of the ship, this learns through the Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d. At the same time, ideally no lateral forces or a moment occur around the center of gravity of the ship.
  • Fig. 6 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d for generating a return force.
  • the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are driven at the same wind conditions, as assumed in FIG. 5, in the opposite direction of rotation, as was used in FIG. 5 to generate the driving force.
  • the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d can be driven at different rotational speeds, in order in each case to achieve the same return force Fra * per Magnus rotor 10a, 0b, 10c and 10d.
  • the respective total propulsion force F before , total or total return force Fschreib, total of the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d can be used solely to drive the ship according to the invention, ie that at a pure total propulsion force F VOT
  • additional drives of the ship may additionally act both in the forward direction and in the reverse direction.
  • forward drive or return drive of the ship can Windwise by a propulsive force F vori screw and rear driving force Frück, screw propeller of a ship support 50 or the like.
  • lateral forces can also be introduced, for example, by transverse thrusters during forward travel or reverse travel of the ship, in order to laterally deflect the ship.
  • 60 lateral forces can be exerted on the deflection of the ship on the rudder. All these forces add up to a total forward or backward movement of the ship.
  • the total return force Fruck total of the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c, and 10d
  • the forward movement can be caused by the total propulsion force F before, in total of the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d and / or by the propulsion force F , rob of a propeller 50 or the like. If the forward movement of the ship is generated, at least in part, by the total propulsion force F of the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d, then the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are to their standstill with respect to their rotational speed to reduce.
  • the ship is driven by other driving forces, such as driving force F screw of a propeller 50 or the like propelled , ie, the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are at a standstill, then these are to initiate a deceleration by the Magnus effect in the corresponding direction of rotation to the required rotational speed as well drive up, as described above in the case of force reversal.
  • driving force F screw of a propeller 50 or the like propelled ie, the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are at a standstill, then these are to initiate a deceleration by the Magnus effect in the corresponding direction of rotation to the required rotational speed as well drive up, as described above in the case of force reversal.
  • the deceleration of a ship is of particular importance, since it moves in the water floating medium and no solid ground, such as. a motor vehicle, possesses, against which a braking force can be applied. So far ships are braked by the fact that the direction of rotation of the screw 50 is reversed and thereby a forward movement of the opposite force is generated in the water.
  • this deceleration acts only very slowly due to the enormous inertia of the usually very large ships, especially cargo ships, so that a deceleration must be initiated long before the time of reaching the stoppage of the ship.
  • a ship, in particular a cargo ship can hardly make any braking, in order, for example, to avoid a collision with another ship or the like.
  • FIG. 7 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d for generating a moment about the center of gravity of the ship.
  • the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are thereby from the control unit SE such that the two Magnus rotors 10a and 10c rotate so that they add up to a total propelling force F before , total, and that the two Magnus rotors 10b and 10d rotate so that they form a total return force Fgur, Total add.
  • This moment Mm causes, in the case illustrated in FIG. 7, a rotation of the vessel about its center of gravity S to the right. clockwise.
  • a torque Mm may be generated which is in the opposite direction, i. to the left, i. counterclockwise, acts.
  • This torque Mm can be used to rotate the ship in place to maneuver the ship therethrough.
  • a torque Mm can be used in the one direction of rotation to initiate a rotation of the ship in this direction.
  • the reverse torque Mm may be used by reversing the direction of rotation to brake the rotation of the ship. In this regard, the same considerations apply as in the braking of the ship of FIG. 6.
  • the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d to generate a pure torque to the ship's center of gravity to control such that they each have a magnitude identical force F before , i, ceremoniesok, 2 due to their rotational speeds.
  • F before, 3 and F rü ok, 4 and produce the forces F and F vori1 vori3 by the forces ⁇ ⁇ , ⁇ and Froo distinguish only by their sign, ie their orientation in the forward or backward direction of the ship.
  • Fig. 8 shows a schematic plan view of the ship with four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d for generating a propulsion force and a moment around the ship's center of gravity.
  • the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are driven at different rotational speeds in the same directions of rotation.
  • a wind W attacks again from port.
  • geS amt are the four Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d according to the right, ie clockwise, driven, see. 5, however, in the case shown in FIG.
  • the two Magnus rotors 10a and 10c on the port side of the ship are driven at a higher rotational speed than the two Magnus rotors 10b and 10d on the starboard side of the ship.
  • a higher propulsion force is generated on the port side of the ship by the forces F pre and F , 3 than by the forces F pre4 and F4 on the starboard side of the ship.
  • This excess of port propulsion power relative to the starboard propulsion force produces a torque Mm about the center of gravity S of the vessel, in this case a torque Mm acting clockwise, ie, clockwise, cf. Fig. 7.
  • the total driving force F vori g eS amt and the torque Mm are superimposed to a total movement of the ship so that it is moved on the one hand forward and on the other hand simultaneously to the right.
  • Magnus rotors 10 a, 10 b, 10 c and 10 d can be carried out at the same direction of rotation.
  • Magnus rotors 10a, 10b, 10c and 10d are shown and described in FIGS. 5 to 8, these possibilities are provided by a multiplicity of combinations Magnus rotors are possible, as long as at least for some of these Magnus rotors, the direction of rotation and rotational speed can be specified as described. Furthermore, it is at least necessary for the generation of a torque Mm according to FIGS. 7 and 8, that a respective Magnus rotor 10a, 10c provided on the port side of the ship and a Magnus rotor 10b, 10d on the starboard side of the ship is.
  • Fig. 9 shows a sectional view of the inventive Magnus rotor 10 of a ship.
  • the Magnus rotor 0 has a cylindrical rotor body 8 and an end plate 12 arranged in the upper region.
  • the rotor body 8 is mounted rotatably on a rotor receptacle 4 by means of a bearing 6.
  • the rotor body 8 is by means of power transmission with a drive motor 106 in an upper region of the receptacle 4th connected.
  • the rotor receptacle 4 has an inner surface 7.
  • a measuring device 5 is arranged in the region of the inner wall 7.
  • the measuring device 5 can be reached by means of a working platform 108.
  • the measuring device 5 is designed to determine a bending stress of the rotor receptacle as a result of a substantially radial force stress of the bearing 6 by the action of force on the rotor body 8.
  • the measuring device has two strain sensors 9, 11, which are arranged in the present example at an angle of 90 ° to each other.
  • the rotor receptacle 4 is connected by means of a flange 110 with the ship's deck.
  • the Magnus rotor 10 shows a schematic cross-sectional view through a Magnus rotor 10 according to the present invention.
  • the Magnus rotor 10 has the rotor housing 4 within the rotor body 8.
  • a first strain sensor 9 and a second strain sensor 11 are arranged as part of the measuring device.
  • the first strain sensor 9 is viewed from the center of the rotor receptacle 4 on a first axis 13.
  • the second strain sensor 11 is arranged, viewed from the center of the rotor receptacle 4, along a second axis 17 on the inner surface 7 of the rotor receptacle 4.
  • the angle between the first axis 13 and the second axis 17 a 90 °.
  • the first strain sensor 9 is connected by means of a signal line 19 to a data processing system 23.
  • the second strain sensor 11 is connected to the data processing system 23 by means of a second signal line 21.
  • the data processing system 23 is connected to a display device 27 by means of a third signal line 25.
  • the display device 27 is designed to indicate the direction and magnitude of the force acting on the rotor receptacle 4 feed force.
  • the data processing analysis is set up to carry out the method according to the invention.
  • Fig. 11 to 13 show in principle the same view as Fig. 10, only the schematically indicated signal lines and the data processing system and the display device have been omitted. With reference to FIGS. 11 to 13 is illustrated on which way the force acting on the Magnus rotor 10 is interpreted and determined by means of the measuring device.
  • the Magnus rotor 10 has a side facing away from the wind and a side 34 facing the wind.
  • the wind-facing side 34 has a surface which is flowed by wind.
  • the direction from which the wind flows against the Magnus rotor 10 differs from the actual wind direction when stationary, since the ship is usually in motion. Wind impinges on the Magnus rotor 10 in the direction of the arrow 33, whereby a force is applied to the Magnus rotor 10 in the direction of the wind.
  • wind power or short F w The Magnus rotor 10 rotates in the direction of the arrow 29.
  • Magnus force As a result, due to the Magnus effect, a force arises in the direction of an arrow 35, as can be seen in FIG. This force is hereinafter referred to as Magnus force or short F M.
  • the vector F M is orthogonal to the vector Fw.
  • the vector F G runs in the direction of the arrow 37.
  • FIG. 13 corresponds to FIGS. 11 and 12, and also FIG. 10, with the exception that the longitudinal axis 3 and the first axis 13 on which the first strain sensor 9 lies coincide in FIG.
  • the total force F G already derived with reference to FIGS. 11 and 12 in the direction of the arrow 37 can be interpreted, when viewed vectorially, into a sum of two mutually perpendicular vectors.
  • the first strain sensor 9 and the second strain sensor 11 are arranged at right angles to each other. In the embodiment according to FIG.
  • the first strain sensor is arranged in the direction of travel and thus in the direction of the longitudinal axis 3 of the ship on the inside of the rotor receptacle 4, while the second strain sensor 11 is orthogonal thereto and thus substantially exactly in the transverse direction of the ship second axis 17 is arranged.
  • the vector of the total force F G can thus be divided into a vector in the direction of the longitudinal axis 3 and the first axis 13 and in a second vector in the direction of the second axis 17.
  • the proportion in the direction of the first axis 13 and the longitudinal axis 3 is hereinafter referred to as F v .
  • the vector in the direction of the second axis 17 is hereinafter referred to as F Q.
  • F v stands for advancing force and extends in the direction of the arrow 39, while F Q is to be understood as a transverse force and propagates in the direction of the arrow 41.
  • the bending stress detected by the first strain sensor 9 differs from the bending stress detected by the second strain sensor 11.
  • the ratio of the bending stresses in the directions of the arrows 39 and 41 to each other changes with an angle y between the total force F G in the direction of the arrow 37 and one of the two axes 13 and 17.
  • the angle between the total force F G and the feed force F v y 45 °.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor, welches einen Schritt zum Erfassen der Windrichtung eines Windes aufweist. Ferner ist das Betreiben des wenigstens einen Magnus-Rotors mit einer Umdrehungsrichtung vorgesehen, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und Magnus-Rotor eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt der Vorwärtsrichtung des Schiffes gerichtet ist.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere eines Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere eines Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor.
Magnus-Rotoren werden auch als Flettner-Rotoren oder Segel-Rotoren bezeichnet.
Der Magnus-Effekt beschreibt ein Auftreten einer Querkraft, d. h. senkrecht zur Achse und zur Anström richtung, bei einem Zylinder, der um seine Achse rotiert und der senkrecht zur Achse angeströmt wird. Die Strömung um den rotierenden Zylinder lässt sich als eine Überlagerung einer homogenen Strömung und eines Wirbels um den Körper auffassen. Durch die ungleichmäßige Verteilung der Gesamtströmung ergibt sich eine unsymmetrische Druckverteilung am Zylinderumfang. Ein Schiff wird somit mit rotieren- den bzw. drehenden Rotoren versehen, welche in der Windströmung eine zur wirksamen, d. h. mit der Höchstgeschwindigkeit korrigierten Windrichtung, senkrechte Kraft erzeugen, welche ähnlich wie beim Segeln zum Vortrieb des Schiffes verwendet werden kann. Die senkrecht stehenden Zylinder rotieren um ihre Achse und von der Seite anströmende Luft fließt dann aufgrund der Oberflächenreibung bevorzugt in Drehrichtung um den Zylinder. Auf der Vorderseite ist deshalb die Strömungsgeschwindigkeit größer und der statische Druck geringer, so dass das Schiff eine Kraft in Vorwärtsrichtung erhält.
Ein derartiges Schiff ist bereits aus "Die Segelmaschine" von Claus Dieter Wagner, Ernst Kabel Verlag GmbH, Hamburg, 1991 , S. 156 bekannt. Hier wurde untersucht, ob ein Magnus-Rotor, auch Flettner-Rotor genannt, als Antrieb bzw. Hilfsantrieb für ein Fracht- schiff eingesetzt werden kann.
Derartigen Schiffen ist gemeinsam, dass der Magnus-Effekt lediglich zur Erzeugung einer Vortriebskraft des Schiffes verwendet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere eines Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor vorzusehen, welches den Magnus-Effekt zu weiteren Zwecken als zur ausschließlichen Erzeugung einer Vortriebskraft des Schiffes nutzt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor nach den Ansprüchen 1 , 2 und 3 und durch ein Schiff nach Anspruch 4 gelöst.
Somit wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor vorgesehen, welches einen Schritt zum Erfassen der Windrichtung eines Windes aufweist. Ferner ist das Betreiben des wenigstens einen Magnus-Rotors mit einer Umdrehungsrichtung vorgesehen, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und Magnus-Rotor eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt der Vorwärtsrichtung des Schiffes gerichtet ist.
Hierdurch ist es möglich, durch den Magnus-Effekt eine rückwärtsgerichtete Kraft zu erzeugen, um einerseits das Schiff rückwärts zu bewegen und um andererseits eine Abbremsung des Schiffes aus einer Vorwärtsbewegung zu erzeugen. Dabei ist gerade Letzteres vorteilhaft, da ein Schiff über keine Bremse im eigentlichen Sinne verfügt, sondern seine Vorwärtsbewegung nur durch eine entgegengerichtete Rückwärtsbewegung abbremsen kann. Die Erzeugung einer derartigen Rückwärtsbewegung ist jedoch bei klassischen Segelschiffen durch die Segelstellung überhaupt nicht physikalisch möglich und kann bei Schiffen, die über einen Schraubenantrieb verfügen, nur über diesen erzeugt werden. Die Erzeugung einer rückwärtsgerichteten Schraubenkraft erzeugt jedoch unerwünschte seitliche Auslenkungen des Schiffes, die den Kurs verändern und bei einer starken Abbremsung, d.h. einer Erzeugung einer rückwärtsgerichteten Schrau- benkraft mit voller Kraft, so stark ausfallen können, dass diese seitlichen Ablenkungen nicht mehr durch die Ruderanlage ausgeglichen werden können.
Daher ist es vorteilhaft, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels des Magnus- Effekts eine rückwärtsgerichtete Kraft zu erzeugen, um hierdurch das Schiff ohne den Einsatz einer Schraube und der durch diese hervorgerufenen seitlichen Auslenkung rückwärts zu manövrieren oder abzubremsen oder die rückwärtsgerichtete Schraubenkraft durch den Magnus-Effekt zu unterstützen und hierdurch das Manövrieren oder Abbremsen schneller oder durch weniger Schraubeneinsatz zu erreichen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigstens zwei Magnus-Rotoren, wobei wenigstens ein Magnus- Rotor auf der Backbord-Seite des Schiffes und wenigstens ein Magnus-Rotor auf der Steuerbord-Seite des Schiffes vorgesehen ist. Das Verfahren weist einen Schritt des Erfassens der Windrichtung eines Windes auf. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Betreibens des wenigstens einen Magnus-Rotors auf der Backbord-Seite des Schiffes mit einer Umdrehungsrichtung auf, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und dem wenigstens einen Magnus-Rotor auf der Backbord-Seite des Schiffes eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen in Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärts- bewegung des Schiffes gerichtet ist. Gleichzeitig wird der wenigstens eine Magnus-Rotor auf der Steuerbord-Seite des Schiffes mit der Umdrehungsrichtung betrieben, die der Umdrehungsrichtung des wenigstens einen Magnus-Rotors auf der Backbord-Seite des Schiffes entgegengesetzt ist, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und dem wenigstens einen Magnus-Rotor auf der Steuerbord-Seite des Schiffes eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt der Richtung der Kraft des wenigstens einen Magnus-Rotors auf der Backbord-Seite des Schiffes gerichtet ist.
Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da durch die auf der Backbord-Seite des Schiffes und der Steuerbord-Seite des Schiffes entgegengesetzt gerichtet erzeugten Kräfte ein Drehmoment um den Schwerpunkt des Schiffes erzeugt wird. Mittels dieses Drehmoments kann das Schiff in eine gewünschte Richtung gedreht werden, die durch die jeweiligen Umdrehungsrichtungen der backbordseitigen und steuerbordseitigen Magnus-Rotoren vorgegeben werden kann. Erfährt das Schiff dabei keine sonstige vorwärts- oder rückwärtsgerichtete Kraft, erfolgt die Drehung des Schiffes im Wesentlichen auf der Stelle. Wird z.B. durch eine Schraube eine vorwärts- oder rückwärtsgerichtete Kraft erzeugt, so kann das Schiff mittels dieses Drehmoments in die eine oder andere Richtung ausgelenkt werden, ohne hierfür eine Ruderanlage einzusetzen oder um diese bei der Auslenkung zu unterstützen. Der Grad der Auslenkung durch den Magnus-Effekt lässt sich dabei durch die jeweiligen Umdrehungsgeschwindigkeiten der Magnus-Rotoren vorgeben.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigstens zwei Magnus-Rotoren, wobei wenigstens ein Magnus- Rotor auf der Backbord-Seite des Schiffes und wenigstens ein Magnus-Rotor auf der Steuerbord-Seite des Schiffes vorgesehen ist. Das Verfahren weist einen Schritt des Erfassens der Windrichtung eines Windes auf. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Betreibens des wenigstens einen Magnus-Rotors auf der Backbord-Seite des Schif- fes und des wenigstens einen Magnus-Rotors auf der Steuerbord-Seite des Schiffes mit der gleichen Umdrehungsrichtung auf, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und den wenigstens zwei Magnus-Rotoren eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen in Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärtsbewegung des Schiffes gerichtet ist. Dabei ist die Umdrehungsgeschwindigkeit des wenigstens einen Magnus-Rotors auf der Backbord-Seite des Schiffes unterschiedlich zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des wenigstens einen Magnus-Rotors auf der Steuerbord-Seite des Schiffes.
Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da hierdurch bei einer Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung, die zumindest teilweise durch die Magnus-Rotoren hervorgerufen wird, eine Aus- lenkung des Schiffes nur oder unterstützend durch die Magnus-Rotoren erfolgen kann. So kann die Auslenkung gemeinsam mit einer Ruderanlage erfolgen, um diese zu unterstützen, oder auch alleinig durch den erfindungsgemäßen Betrieb der Magnus-Rotoren, um die Ruderanlage vollständig zu entlasten.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Schiff, insbesondere ein Frachtschiff, mit mindestens einem Magnus-Rotor, einem dem Magnus-Rotor zugeordneten elektrischen Motor und einem zugeordneten Umrichter. Das Schiff weist ferner eine Steuereinheit zum Steuern des Umrichters, des Motors und damit des Magnus-Rotors auf. In einer ersten Betriebsart ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, den mindestens einen Magnus-Rotor mit einer Umdrehungsrichtung zu betreiben, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und Mag- nus-Rotor eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt einer Vorwärtsrichtung des Schiffes gerichtet ist. In einer zweiten Betriebsart ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, einen ersten Magnus-Rotor auf der Backbordseite des Schiffes mit einer ersten Umdrehungsrichtung zu betreiben, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und dem ersten Magnus-Rotor eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen der Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärtsrichtung des Schiffes gerichtet ist. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgestaltet, einen zweiten Magnus-Rotor auf der Steuerbordseite des Schiffes mit einer zweiten Umdrehungsrichtung zu betreiben, die der ersten Umdrehungsrichtung entgegengesetzt ist, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und dem wenigstens einen zweiten Magnus-Rotor eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegen- gesetzt der Richtung der Kraft des wenigstens einen ersten Magnus-Rotors gerichtet ist. In einer dritten Betriebsart ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, einen ersten Magnus- Rotor auf der Backbordseite und einen zweiten Magnus-Rotor auf der Steuerbordseite mit der gleichen Umdrehungsrichtung zu betreiben, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und dem ersten und zweiten Magnus-Rotor eine Kraft erzeugt wird, die im Wesent- liehen in Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärtsbewegung des Schiffes gerichtet ist. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des wenigstens ersten Magnus-Rotors ist unterschiedlich zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des zweiten Magnus-Rotors.
Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf folgende Figuren näher erläutert:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Schiffes mit vier Magnus- Rotoren;
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerung des Schiffes mit vier Magnus- Rotoren;
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Detailansicht des Schiffes mit vier Magnus- Rotoren;
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus- Rotoren;
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren zur Erzeugung einer Vortriebskraft;
Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren zur Erzeugung einer Rücktriebskraft;
Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren zur Erzeugung eines Moments um den Schiffsschwerpunkt; und
Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren zur Erzeugung einer Vortriebskraft und eines Moments um den Schiffsschwerpunkt;
Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht eines Magnus-Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 eine schematische Draufsicht auf einen Magnus-Rotor eines Schiffs, mit einer Rotor-Aufnahme,
Fig. 11 die Darstellung aus Fig. 10 mit einem Vektordiagramm,
Fig. 12 die Darstellung aus Fig. 10 und 11 mit einem Vektordiagramm, und
Fig. 13 die Darstellung aus Fig. 12 mit einem alternativen Vektordiagramm. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Schiffes mit vier Magnus-Rotoren 10. Das Schiff weist dabei einen Rumpf, bestehend aus einem Unterwasserbereich 16 und einem Überwasserbereich 15 auf. Ferner weist das Schiff vier Magnus-Rotoren 10 auf, welche an den vier Ecken des Rumpfes angeordnet und vorzugsweise zylindrisch ausge- staltet sind. Die vier Magnus-Rotoren 10 stellen hierbei windbetriebene Antriebe für das erfindungsgemäße Schiff dar. Das Schiff weist eine im Vorschiff angeordnete Brücke 30 auf. Das Schiff weist unter Wasser eine Schraube 50 bzw. einen Propeller 50 sowie eine Ruderanlage 60 oder ein Ruder 60 auf. Für eine verbesserte Manövrierfähigkeit kann das Schiff ebenfalls Querstrahlruder aufweisen, wobei vorzugsweise eines am Heck und eines bis zwei Querstrahlruder am Bug vorgesehen sind (nicht dargestellt). Vorzugsweise sind diese Querstrahlruder elektrisch angetrieben. Hierbei weisen die Brücke 30 sowie alle Aufbauten oberhalb des Wetterdecks 14 eine aerodynamische Formgebung auf, um den Windwiderstand zu reduzieren. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass scharfe Kanten und scharfkantige Anbauteile im Wesentlichen vermieden werden. Um den Windwiderstand zu minimieren und eine aerodynamische Formgebung zu erreichen, werden möglichst wenige Aufbauten vorgesehen.
Das Schiff weist eine Längsachse 3 auf, die parallel zu der Kiellinie und horizontal verlaufend angeordnet ist. Die Längsachse 3 entspricht somit bei gerader Fahrt (und ohne den Betrieb von Querstrahlrudern) der Fahrtrichtung des Schiffes. Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerung des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren. Jeder der vier Magnus-Rotoren 10 weist einen eigenen Motor M sowie einen separaten Umrichter U auf. Die Umrichter U sind mit einer zentralen Steuereinheit SE verbunden. Ein Dieselantrieb DA ist mit einem Generator G verbunden, um elektrische Energie zu erzeugen. Dabei kann statt eines Dieselantriebs DA auch ein Verbund von mehreren einzelnen Dieselantrieben DA mit dem Generator G oder einer entsprechenden Anzahl von einzelnen Generatoren G verbunden sein, die jeweils als Ganzes betrachtet nach außen die gleiche Leistung zur Verfügung stellen wie ein entsprechend einzelner großer Dieselantrieb DA oder Generator G. Die jeweiligen Umrichter U sind mit dem Generator G verbunden. Ferner ist ein Hauptantrieb HA gezeigt, welcher ebenfalls mit einem Elekt- romotor M verbunden ist, welcher wiederum mit einem separaten Frequenzumrichter U sowohl mit der Steuereinheit SE als auch mit dem Generator G verbunden ist. Die vier Magnus-Rotoren 10 können hierbei sowohl einzeln als auch unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Steuerung der Magnus-Rotoren 10 sowie des Hauptantriebes HA erfolgt durch die Steuereinheit SE, welche aus den aktuellen Windmessungen (Windgeschwindigkeit, Windrichtung) E1 , E2 sowie anhand der Informationen zu Soll- und Ist- Fahrtgeschwindigkeit E3 (sowie optional anhand von Navigationsinformationen von einer Navigationseinheit NE) die entsprechende Drehzahl und Drehrichtung für den einzelnen Magnus-Rotor 10 sowie des Hauptantriebes HA bestimmt, um eine gewünschte Vortriebskraft zu erreichen. Die Steuereinheit SE regelt in Abhängigkeit der Schubkraft der vier Magnus-Rotoren 10 sowie der aktuellen Schiffsgeschwindigkeit und dem Sollwert der Geschwindigkeit die Hauptantriebsanlage HA stufenlos herunter, soweit dies erforderlich ist. So kann die Windenergieleistung unmittelbar und automatisch in eine Kraftstoffersparnis umgesetzt werden. Durch die unabhängige Steuerung der Magnus-Rotoren 0 kann das Schiff auch ohne Hauptantrieb HA gesteuert werden. Insbesondere kann durch entsprechende Steuerung der jeweiligen Magnus-Rotoren 10 eine Stabilisierung des Schiffs bei einem starken Seegang erreicht werden. Ferner können ein oder mehrere Querstrahlruder QSA vorgesehen werden, um die Manövrierbarkeit des Schiffes zu verbessern. Hierbei können ein Querstrahlruder QSA hinten sowie ein bis zwei Querstrahlruder QSA vorne am Schiff vorgesehen sein. Jedem Querstrahlruder QSA sind ein Motor M zum Antrieb sowie ein Umrichter U zugeordnet. Der Umrichter U ist wiederum mit der zentralen Steuereinheit SE und dem Generator G verbunden. Somit können die Querstrahlruder (lediglich eins ist in der Fig. 2 gezeigt) ebenfalls zum Steuern des Schiffes verwendet werden, da sie mit der zentralen Steuereinheit SE (über den Umrichter U) verbunden sind. Die Querstrahlruder QSA können jeweils einzeln hinsichtlich ihrer Drehzahl und Drehrichtung von der zentralen Steuereinheit SE angesteuert werden. Die Steuerung kann dabei wie oben beschrieben erfolgen. Fig. 3 zeigt eine perspektivische Detailansicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren 10. Dargestellt ist die Steuerung eines einzelnen der vier Magnus-Rotoren 10. Dabei sind dargestellt die Steuereinheit SE zur Ansteuerung des Dieselantriebs DA, des Generators G und des Umrichters U des einen Magnus-Rotors 10. Der Dieselantrieb DA dient dazu, den Generator G anzutreiben, der dann wiederum elektrische Energie erzeugt und diese u.a. in den dargestellten Umrichter U einspeist. Der Umrichter U führt diese elektrische Energie gemäß seiner Ansteuerung durch die Steuereinheit SE dem Motor M zu, um diesen hinsichtlich Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit gemäß der Vorgabe der Steuereinheit SE zu betreiben. Dabei kann der Generator G seine elektrische Energie auch weiteren Verbrauchern, wie den Umrichtern U der weiteren drei Magnus-Rotoren 10 der Fig. 1 oder auch dem Bordrietz oder Querstrahlrudem und dergleichen zuführen. Auch kann der Umrichter U aus anderen Quellen elektrische Energie erhalten.
Die Steuereinheit SE ist mit einer Bedieneinheit BE verbunden, die z.B. auf der Brücke des Schiffes angeordnet sein kann. Über diese Bedieneinheit BE können Eingaben durch das Personal des Schiffes an die Steuereinheit SE getätigt werden. Die Bedieneinheit BE kann Eingabemöglichkeiten, wie eine Tastatur oder ein Touchscreen-Display, aufweisen. Ebenso können Knöpfe zum Drücken oder Drehen, Taster, Schalter, Hebel oder dergleichen als Eingabemittel vorgesehen sein. Diese können physisch ausgeprägt und bzw. oder z.B. auf einem Touchscreen-Display virtuell dargestellt sein. Auch ist es möglich, Eingaben an die Steuereinheit SE mitteis Spracheingabe, z.B. über ein Mikrophon, zu tätigen. Ferner können mittels der Bedieneinheit BE auch Informationen und Meldungen der Steuereinheit SE angezeigt und ausgegeben werden, z.B. optisch auf Anzeigeelementen wie Displays oder Monitoren, akustisch über Lautsprecher etc. als Signal- oder Wamtöne oder gesprochene Mitteilung oder auch mittels Drucker oder Plotter als Aus- druck auf Papier oder dergleichen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d. Dabei sind die vier Magnus-Rotoren 10 der Fig. 1 als Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d dargestellt. Die Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d werden jeweils von den vier Motoren Ma, Mb, Mc und Md angetrieben, die ihrerseits jeweils von den vier Umrichtern Ua, Ub, Uc und Ud gespeist und angesteuert werden. Die vier Umrichter Ua, Ub, Uc und Ud werden von der Steuereinheit SE angesteuert, die ihre Eingaben über die Bedieneinheit BE erhält. Dabei müssen die in der Fig. 4 dargestellten Positionen der Motoren Ma, Mb, Mc und Md und Umrichter Ua, Ub, Uc und Ud nicht der realen Anordnung entsprechen, da in dieser schematischen Draufsicht lediglich der prinzipielle Zusammenhang der Steuerung der Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d dargestellt werden soll.
Erfindungsgemäß können somit die Magnus-Rotoren 0a, 10b, 10c und 10d jeder individuell durch die Steuereinheit SE mittels der Umrichter Ua, Ub, Uc und Ud angesteuert werden. Somit ist es möglich, jedem Magnus-Rotor 10a, 10b, 10c und 10d eine eigene Drehgeschwindigkeit und eine eigene Drehrichtung von zwei möglichen Drehrichtungen zu geben. Dabei können diese Vorgaben einerseits durch die Bedieneinheit BE vorgenommen werden, d.h. über die Bedieneinheit BE können direkt Vorgaben für jeden einzelnen der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d getätigt werden, die dann von der Steuereinheit SE in entsprechende Steuerungssignale für die Umrichter Ua, Ub, Uc und Ud umgesetzt werden. Andererseits können durch die Bedieneinheiten BE auch Verhaltensweisen des Schiffes vorgegeben werden, die dann von der Steuereinheit weiterverarbeitet werden, um jeden einzelnen Magnus-Rotor 10a, 10b, 10c und 10d derart anzu- steuern, dass das Zusammenwirken aller vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d das vorgegebene Schiffsverhalten bewirkt.
Die Möglichkeiten, die sich aus dieser individuellen Ansteuerung der vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d für das erfindungsgemäße Schiff ergeben, sollen im Folgenden dargestellt werden. Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d zur Erzeugung einer Vortriebskraft. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind in dieser Darstellung die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 0d ohne die Motoren Ma, Mb, Mc und Md, Umrichter Ua, Ub, Uc und Ud, Steuereinheit SE und Bedieneinheit BE der Fig. 4 gezeigt. In dieser Darstellung wirkt von links, d.h. von Back- bord, ein Wind W auf das Schiff bzw. die Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d. Um gemäß dem Magnus-Effekt eine Vortriebskraft zu erzeugen, werden die Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d daher so von der Steuereinheit SE angesteuert, dass sie sich rechtsherum, d.h. im Uhrzeigersinn, drehen. Um ferner durch alle vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d die jeweils gleiche Vortriebskraft zu erzeugen, werden diese auch mit der gleichen Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben. Dabei wird zur Vereinfachung unterstellt, dass die Windgeschwindigkeit, auf die die Umdrehungsgeschwindigkeit der Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d abgestimmt wird, für alle vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d als gleich angenommen werden kann. Nichtsdestotrotz ist es jedoch auch möglich, für jeden einzelnen Magnus-Rotor 10a, 10b, 10c und 10d eine eigene Windgeschwindigkeit zu bestimmen und die Umdrehungsgeschwindigkeit eines jeden einzelnen Magnus-Rotors 10a, 10b, 10c und 10d dieser anzupassen, um für jeden einzelnen Magnus-Rotor 10a, 10b, 10c und 10d die gleiche Vortriebskraft zu erzielen.
Werden die Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d derart angesteuert, dass jeder von ihnen die gleiche Vortriebskraft Fvor erzeugt, so addieren sich die vier Vortriebskräfte Fvor,i. Fvor>2, Fvor>3 und Fvori4 zu einer Gesamtvortriebskraft Fvori gesamt des Schiffes, die diese durch die Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d erfährt. Gleichzeitig treten idealerweise keinerlei seitliche Kräfte oder ein Moment um den Schwerpunkt des Schiffes auf. Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d zur Erzeugung einer Rücktriebskraft. Hierzu werden die vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d bei gleichen Windverhältnissen, wie in der Fig. 5 angenommen, mit der entgegengesetzten Umdrehungsrichtung angesteuert, wie sie in der Fig. 5 zur Erzeugung der Vortriebskraft verwendet wurde. Dies bedeutet in dem in der Fig. 6 dargestellten Fall eines Windes W von Backbord, dass die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d zur Erzeugung einer Rücktriebskraft linksherum, d.h. gegen den Uhrzeigersinn, gedreht angetrieben werden. Dabei können auch in diesem Fall die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d mit unterschiedlichen Umdrehungsdrehzahlen angetrieben werden, um jeweils die gleiche Rücktriebskraft Fra* je Magnus-Rotor 10a, 0b, 10c und 10d zu erreichen. Diese vier einzelnen Rücktriebskräfte Frfick.1. FrüCk,2, FVÜCM und Früo addieren sich zu einer Gesamtrücktriebskraft F^k, gesamt- Gleichzeitig treten idealerweise keinerlei seitliche Kräfte oder ein Moment um den Schwerpunkt des Schiffes auf. Diese Gesamtrücktriebskraft Frück, gesamt kann zum einen verwendet werden, um das erfindungsgemäße Schiff in die Rückwärtsrichtung anzutreiben, ebenso wie die Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt das erfindungsgemäße Schiff in die Vorwärtsrichtung antreiben kann. Dabei kann die jeweilige Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt oder Gesamtrücktriebskraft Frück, gesamt der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d alleinig zum Antrieb des erfindungsgemäßen Schiffes verwendet werden, d.h. dass bei einer reinen Gesamtvortriebskraft FVOT| gesamt oder Gesamtrücktriebskraft Frück, gesamt keine seitlichen Kräfte oder Momente auftreten und das Schiff gradlinig vorwärts bzw. rückwärts fährt.
Hierbei ist zu beachten, dass aufgrund der Bewegung des Schiffes in dem sich selbst bewegenden Medium Wasser jederzeit Strömungen und Wellen an dem Unterwasserbe- reich 16 des Schiffes angreifen und über die Kräfte die Bewegungsrichtung, d.h. den Kurs des Schiffes, beeinflussen. Ebenso bewirkt der Wind W nicht nur den Magnus-Effekt, sondern greift an dem Überwasserbereich 15 des Schiffes an und bewirkt damit ebenfalls eine Auslenkung des Schiffes von seiner gewünschten Bewegungsrichtung sowie einen Versatz des Schiffes in die Richtung des Schiffes, in die der Wind weht, d.h. nach Lee. Diese See- und Windeinflüsse können bei der Navigation zu beachten sein, so dass eine ideale reine Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung eines Schiffes nur selten auftreten wird, sondern sich vielmehr die erzeugte Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt oder Gesamtrücktriebskraft Frück, gesamt der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d mit den angreifenden Naturkräften zu einer realen Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung des Schiffes überlagern.
Ferner können zusätzlich sowohl in die Vorwärtsrichtung als auch in die Rückwärtsrichtung noch weitere Antriebe des Schiffes wirken. So kann Vorwärtsfahrt oder Rück- wärtsfahrt des Schiffes durch eine Vortriebskraft Fvori schraube bzw. Rücktriebskraft Frück, schraube einer Schiffsschraube 50 oder dergleichen unterstützt werden. Ferner können auch bei der Vorwärtsfahrt oder Rückwärtsfahrt des Schiffes seitliche Kräfte z.B. durch Querstrahlruder eingeleitet werden, um das Schiff seitlich auszulenken. Ebenso können über die Ruderanlage 60 seitliche Kräfte zur Auslenkung des Schiffes ausgeübt werden. Alle diese Kräfte addieren sich zu einer gesamten Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung des Schiffes.
Des Weiteren kann die Gesamtrücktriebskraft Frück, gesamt der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d auch dazu verwendet werden, ein sich in Vorwärtsfahrt befindliches Schiff abzubremsen, um einerseits die Vorwärtsfahrt zu verringern oder andererseits seine Vorwärtsbewegung vollständig aufzuheben. Dieser Fall kann dann auftreten, falls sich das Schiff in der Vorwärtsbewegung befindet und dann die Gesamtrücktriebskraft Frück, gesamt der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d eingeleitet wird.
Dabei kann die Vorwärtsbewegung durch die Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d und bzw. oder durch die Vortriebskraft Fvor, sc raube einer Schiffsschraube 50 oder dergleichen hervorgerufen sein. Wird die Vorwärtsbewegung des Schiffes, zumindest teilweise, durch die Gesamtvortriebskraft Fvori gesamt der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d erzeugt, so sind die vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d hinsichtlich ihrer Umdrehungsgeschwindigkeit bis zu ihrem Stillstand zu verringern. Dann ist die Umdrehungsrichtung umzukehren und die Umdrehungsgeschwindigkeit zu erreichen, mit der die Gesamtrücktriebskraft F^k, gesamt der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d erreicht werden soll. Dabei ist das Abbremsen der vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d und das Umkehren und Beschleunigen in die entgegengesetzte Umdrehungsrichtung zwischen den vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d durch die Steuereinheit SE derart zu koordinieren, dass in jedem Zeitpunkt der Umkehr von Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt auf Gesamtrücktriebskraft F^k, geSamt möglichst nur Kräfte in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung wirken, um seitliche Kräfte und Momente durch die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d zu vermeiden. Wird das Schiff durch andere Antriebskräfte wie die Vor- triebskraft Fvori schraube einer Schiffsschraube 50 oder dergleichen vorwärtsgetrieben, d.h. die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d befinden sich im Stillstand, dann sind diese zur Einleitung einer Abbremsung durch den Magnus-Effekt in die entsprechende Umdrehungsrichtung auf die erforderliche Umdrehungsgeschwindigkeit ebenso hochzu- fahren, wie für den Fall der Kraftumkehr zuvor beschrieben.
Dabei ist das Abbremsen eines Schiffes von besonderer Bedeutung, da sich dieses im Medium Wasser schwimmend bewegt und keinen festen Untergrund, wie z.B. ein Kraftfahrzeug, besitzt, gegenüber dem eine Bremskraft aufgebracht werden kann. So werden Schiffe bislang dadurch abgebremst, dass die Drehrichtung der Schraube 50 umgedreht wird und hierdurch eine der Vorwärtsbewegung entgegengesetzte Kraft im Wasser erzeugt wird. Diese Abbremsung wirkt jedoch nur sehr langsam aufgrund der enormen Trägheit der meist sehr großen Schiffe, insbesondere Frachtschiffe, so dass eine Abbremsung bereits lange Zeit vor dem Zeitpunkt des Erreichens des Stillstands des Schiffes eingeleitet werden muss. Hierdurch kann ein Schiff, insbesondere Frachtschiff, kaum eine Bremsung durchführen, um z.B. eine Kollision mit einem anderen Schiff oder dergleichen zu vermeiden. Ferner führt die Erzeugung einer Rückwärtskraft der Schraube 50 zur Abbremsung des Schiffes im Wasser auch zu einer seitlichen Kraft, die das Schiff von seinem eigentlichen Kurs ablenkt und durch die Ruderanlage 60 ausgeglichen werden muss. Wird gar eine Abbremsung mit voller Rückwärtskraft der Schraube 50 durchge- führt, kann diese seitliche Kraft sogar derart stark werden, dass sie durch die Ruderanlage 60 nicht mehr kompensiert werden kann und das Schiff aus dem Kurs läuft.
Daher ist es besonders vorteilhaft, durch die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d das Abbremsen eines Schiffes zu unterstützen oder alleinig durchzuführen. Hierdurch kann eine höhere Rücktriebskraft als nur durch die Schraube 50 alleine erzeugt werden, so dass gerade bei einer Bremsung mit voller Kraft zur Vermeidung einer Kollision eine schnellere Bremsung bis zum Stillstand erreicht werden kann. Ferner kann auch bei der alleinigen Abbremsung mittels Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d die seitlich wirkende Kraft durch die Schraube 50 vermieden und das Schiff auch beim Abbremsen durch die Ruderanlage 60 oder dergleichen sicher auf Kurs gehalten werden. Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d zur Erzeugung eines Moments um den Schiffsschwerpunkt. Hierzu wird der gleiche von Backbord angreifende Wind W wie in den Fig. 5 und 6 angenommen. Die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d werden dabei von der Steuereinheit SE derart angesteuert, dass sich die beiden Magnus-Rotoren 10a und 10c so drehen, dass sie sich zu einer Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt addieren, und dass sich die beiden Magnus-Rotoren 10b und 10d so drehen, dass sie sich zu einer Gesamtrücktriebskraft Frück, gesamt addieren. Dies bedeutet in dem in der Fig. 7 dargestellten Fall, dass sich die beiden Magnus-Rotoren 10a und 10c rechtsherum, d.h. im Uhrzeigersinn, und die beiden Magnus-Rotoren 10b und 10d linksherum, d.h. gegen den Uhrzeigersinn drehen.
Somit wird durch die derart angesteuerten vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d auf der Backbord-Seite des Schiffes eine Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt und auf der Steuerbord-Seite des Schiffes eine Gesamtrücktriebskraft F^, gesamt erzeugt. Da das Schiff jedoch als Ganzes ausgestaltet ist, d.h. die beiden Seiten des Schiffes miteinander verbunden sind, resultiert aus dieser Überlagerung von backbordseitiger Gesamtvortriebskraft Fvori gesamt und steuerbordseitiger Gesamtrücktriebskraft F^ck, gesamt ein Drehmoment Mm um den Schwerpunkt S des Schiffes. Dabei können die vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d mit der gleichen oder auch teilweise oder jeweils unter- schiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten betrieben werden.
Dieses Moment Mm bewirkt in dem in der Fig. 7 dargestellten Fall eine Drehung des Schiffes um seinen Schwerpunkt S rechtsherum, d.h. im Uhrzeigersinn. Durch eine Umkehrung der Umdrehungsrichtungen aller vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d kann jedoch auch ein Drehmoment Mm erzeugt werden, welches in die entgegengesetzte Richtung, d.h. linksherum, d.h. gegen den Uhrzeigersinn, wirkt.
Dieses Drehmoment Mm kann zur Drehung des Schiffes auf der Stelle eingesetzt werden, um das Schiff hierdurch zu manövrieren. Dabei kann ein Drehmoment Mm in die eine Drehrichtung eingesetzt werden, um eine Drehung des Schiffes in diese Richtung einzuleiten. Ferner kann das entgegengesetzte Drehmoment Mm durch die Umkehr der Umdrehungsrichtung zum Abbremsen der Drehung des Schiffes verwendet werden. Dabei gelten diesbezüglich die gleichen Überlegungen wie beim Abbremsen des Schiffes nach Fig. 6.
Dabei sind die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d zur Erzeugung eines reinen Drehmomentes um den Schiffsschwerpunkt derart anzusteuern, dass sie aufgrund ihrer Umdrehungsgeschwindigkeiten jeweils eine dem Betrag nach identische Kraft Fvor,i, Früok,2. Fvor,3 und Früok,4 erzeugen und sich die Kräfte Fvori1 und Fvori3 von den Kräften Ψ^,ζ und Froo lediglich durch ihr Vorzeichen, d.h. ihre Orientierung in die Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung des Schiffes unterscheiden.
Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht des Schiffes mit vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d zur Erzeugung einer Vortriebskraft und eines Moments um den Schiffs- Schwerpunkt. Hier werden die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d mit unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten in die gleichen Umdrehungsrichtungen angetrieben. In dem in der Fig. 8 gezeigten Fall greift erneut ein Wind W von Backbord an. Zur Erzeugung einer Gesamtvortriebskraft Fvor, geSamt werden die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d entsprechend rechtsherum, d.h. im Uhrzeigersinn, angetrieben, vgl. Fig. 5. Dabei werden jedoch in dem in der Fig. 8 gezeigten Fall die beiden Magnus- Rotoren 10a und 10c an der Backbord-Seite des Schiffes mit einer höheren Umdrehungsdrehzahl angetrieben als die beiden Magnus-Rotoren 10b und 10d auf der Steuerbord-Seite des Schiffes. Hierdurch wird an der Backbord-Seite des Schiffes durch die Kräfte Fvori und Fvor,3 eine höhere Vortriebskraft erzeugt als durch die Kräfte Fvori2 und Fvor4 an der Steuerbord-Seite des Schiffes. Dieser Überschuss an backbordseitiger Vortriebskraft gegenüber der steuerbordseitigen Vortriebskraft erzeugt ein Drehmoment Mm um den Schwerpunkt S des Schiffes, in diesem Fall ein Drehmoment Mm, das rechtsherum, d.h. im Uhrzeigersinn, wirkt, vgl. Fig. 7. Die Gesamtvortriebskraft Fvori geSamt und das Drehmoment Mm überlagern sich zu einer Gesamtbewegung des Schiffes, so dass diese einerseits vorwärts und andererseits gleichzeitig nach rechts bewegt wird.
Somit ist es durch die unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten der vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d möglich, das Schiff in der Fahrt auch zu lenken, d.h. den Kurs seitlich zu beeinflussen, in dem in der Fig. 8 dargestellten Fall in der Vorwärtsfahrt eine Rechtskurve, d.h. eine Kurve nach Steuerbord, d.h. im Uhrzeigersinn, zu fahren. Werden die Umdrehungsgeschwindigkeiten der vier Magnus-Rotoren 10a, 0b, 10c und 10d derart gewählt, dass die beiden steuerbordseitigen Magnus-Rotoren 10b und 10d höhere Vortriebskräfte Fvor,2 und Fvor,4 erzeugen als die beiden backbordseitigen Magnus- Rotoren 10a und 10c, so erfolgt eine Auslenkung des Schiffes nach links, d.h. nach Backbord, d.h. entgegen dem Uhrzeigersinn. Werden die vier Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d derart betrieben, dass eine Gesamtrücktriebskraft Fmok, gesamt erzeugt wird, so kann auch in diesem Fall eine Auslenkung des Schiffes in der Art und Weise nach Fig. 8 erfolgen, d.h. auch bei einer Rückwärtsbewegung des Schiffes, sei es zum Abbremsen oder zur Rückwärtsbewegung des Schiffes, kann eine Auslenkung des Schiffes durch unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeiten der steuerbordseitigen und backbordseitigen Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d bei gleichen Umdrehungsrichtungen erfolgen.
In allen diesen Fällen kann entweder die seitliche Auslenkung des Schiffes alleinig durch die unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten der steuerbordseitigen und backbordseitigen Magnus-Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d bei gleichen Umdrehungsrichtungen erfolgen oder auch gemeinsam mit der Ruderanlage 60 oder auch von Querstrahlrudern, um deren Wirkungen zu unterstützen.
Im Vergleich zu der Erzeugung einer reinen Gesamtvortriebskraft Fvor, geSamt. wie mit Bezug zur Fig. 5 beschrieben, wird bei der Erzeugung einer kombinierten Gesamtvortriebskraft Fvori gesamt mit einem Drehmoment Mm nach der Beschreibung mit Bezug zur Fig. 8 eine geringere Gesamtvortriebskraft Fvor, gesamt erzeugt, da zwei der vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d nicht mit der vollen Leistung, d.h. der maximalen Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben werden können, um durch diese Differenz der Umdre- hungsgeschwindigkeiten und damit steuerbordseitigen und backbordseitigen Vortriebskräfte das für die Auslenkung des Schiffes erforderliche Drehmoment Mm zu erzeugen. Somit führt die Ausübung eines Drehmomentes Mm zur Auslenkung des Schiffes stets zu einer Verringerung der Gesamtvortriebskraft Fvori gesamt-
Hinsichtlich der vorbeschriebenen Möglichkeiten zur Manövrierung eines Schiffes mit Magnus-Rotoren sei darauf hingewiesen, dass in den Fig. 5 bis 8 zwar vier Magnus- Rotoren 10a, 10b, 10c und 10d gezeigt und beschrieben werden, dass jedoch diese Möglichkeiten mit einer Vielzahl von Kombinationen von Magnus-Rotoren möglich sind, solange zumindest für einen Teil dieser Magnus-Rotoren die Umdrehungsrichtung und Umdrehungsgeschwindigkeit so wie beschrieben vorgegeben werden können. Ferner ist für die Erzeugung eines Drehmoments Mm nach den Fig. 7 und 8 mindestens erforderlich, dass je ein Magnus-Rotor 10a, 10c auf der Backbord-Seite des Schiffes und ein Magnus-Rotor 10b, 10d auf der Steuerbord-Seite des Schiffes vorgesehen ist.
Fig. 9 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Magnus-Rotors 10 eines Schiffes. Der Magnus-Rotor 0 weist einen zylindrischen Rotorkörper 8 auf und eine im oberen Bereich angeordnete Endplatte 12. Der Rotor-Körper 8 ist mittels einer Lagerung 6 drehbar an einer Rotor-Aufnahme 4 gelagert. Der Rotor-Körper 8 ist mittels Mitteln zur Kraftübertragung mit einem Antriebsmotor 106 in einem oberen Bereich der Aufnahme 4 verbunden. Die Rotor-Aufnahme 4 weist eine Innenfläche 7 auf. In einem unteren Bereich der Rotor-Aufnahme 4 ist im Bereich der Innenwand 7 eine Messeinrichtung 5 angeordnet. Die Messeinrichtung 5 ist mittels einer Arbeitsbühne 108 erreichbar.
Die Messeinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, eine Biegebeanspruchung der Rotor- Aufnahme infolge einer im Wesentlichen radialen Kraftbeanspruchung der Lagerung 6 durch Krafteinwirkung auf den Rotor-Körper 8 zu bestimmen. Die Messeinrichtung weist zwei Dehnungssensoren 9, 11 auf, welche im vorliegenden Beispiel in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Die Rotor-Aufnahme 4 ist mittels einer Flanschverbindung 110 mit dem Schiffsdeck verbunden.
Fig. 10 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch einen Magnus-Rotor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Magnus-Rotor 10 weist innerhalb des Rotor- Körpers 8 die Rotor-Aufnahme 4 auf. An der Innenfläche 7 der Rotor-Aufnahme 4 sind als Teil der Messeinrichtung ein erster Dehnungssensor 9 und ein zweiter Dehnungssensor 11 angeordnet. Der erste Dehnungssensor 9 liegt vom Mittelpunkt der Rotor-Aufnahme 4 aus betrachtet auf einer ersten Achse 13. Die erste Achse 13 verläuft in einem Winkel ß zur Längsachse 3 des Schiffs. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel ß = 0°. Der zweite Dehnungssensor 11 ist vom Mittelpunkt der Rotor-Aufnahme 4 aus betrachtet entlang einer zweiten Achse 17 an der Innenfläche 7 der Rotor-Aufnahme 4 angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel zwischen der ersten Achse 13 und der zweiten Achse 17 a = 90°.
Der erste Dehnungssensor 9 ist mittels einer Signalleitung 19 mit einer Datenverarbeitungsanlage 23 verbunden. Der zweite Dehnungssensor 11 ist mittels einer zweiten Signalleitung 21 mit der Datenverarbeitungsanlage 23 verbunden. Die Daten- Verarbeitungsanlage 23 ist mittels einer dritten Signalleitung 25 mit einer Anzeigeeinrichtung 27 verbunden. Die Anzeigeeinrichtung 27 ist dazu ausgebildet, Richtung und Betrag der auf die Rotor-Aufnahme 4 wirkenden Vorschubkraft anzuzeigen. Die Datenverarbeitungsanalyse ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Fig. 11 bis 13 zeigen prinzipiell die gleiche Ansicht wie Fig. 10, lediglich die schematisch angedeuteten Signalleitungen und die Datenverarbeitungsanlage sowie die Anzeigeeinrichtung sind weggelassen worden. Anhand der Fig. 11 bis 13 wird veranschaulicht, auf welche Weise die auf den Magnus-Rotor 10 einwirkende Kraft interpretiert und mittels der Messeinrichtung bestimmt wird.
Beginnend mit Fig. 11 ist festzustellen, dass der Magnus-Rotor 10 eine dem Wind abgewandte Seite sowie eine dem Wind zugewandte Seite 34 aufweist. Die dem Wind zuge- wandte Seite 34 weist eine Oberfläche auf, welche von Wind angeströmt wird. Die Richtung, aus welcher der Wind den Magnus-Rotor 10 anströmt weicht dabei von der tatsächlichen Windrichtung bei ortsfester Betrachtung ab, da das Schiff in der Regel in Bewegung ist. Wind trifft in Richtung des Pfeils 33 auf den Magnus-Rotor 10 auf, wodurch der Magnus-Rotor 10 in Richtung des Windes mit einer Kraft beaufschlagt wird. Nachfolgend wird diese als Windkraft oder kurz Fw bezeichnet. Der Magnus-Rotor 10 rotiert in Richtung des Pfeils 29. Hierdurch entsteht auf Grund des Magnus-Effekts eine Kraft in Richtung eines Pfeils 35, wie in Fig. 12 zu sehen ist. Diese Kraft wird nachfolgend als Magnus-Kraft oder kurz FM bezeichnet. Der Vektor FM verläuft orthogonal zu dem Vektor Fw.
Es wirkt auf die Rotor-Aufnahme 4 also eine Kraft, die sich aus der Windkraft Fw einer- seits und der Magnus-Kraft FM andererseits zusammensetzt. Die Addition der beiden Vektoren Fw und FM resultiert in einem Vektor für die Gesamtkraft, nachfolgend als FG bezeichnet. Der Vektor FG verläuft in Richtung des Pfeils 37.
Fig. 13 entspricht den Fig. 11 und 12, und auch Fig. 10 mit der Ausnahme, dass die Längsachse 3 und die erste Achse 13, auf welcher der erste Dehnungssensor 9 liegt, in Fig. 13 zusammenfallen. Die anhand der Fig. 11 und 12 bereits hergeleitete Gesamtkraft FG in Richtung des Pfeils 37 lässt sich bei vektorieller Betrachtung in eine Summe zweier zueinander rechtwinkliger Vektoren interpretieren. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der erste Dehnungssensor 9 und der zweite Dehnungssensor 11 zueinander rechtwinklig angeordnet. In der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist der erste Dehnungssensor in Fahrtrichtung und somit in Richtung der Längsachse 3 des Schiffs an der Innenseite der Rotor-Aufnahme 4 angeordnet, während der zweite Dehnungssensor 11 orthogonal hierzu und somit im Wesentlichen exakt in Querrichtung des Schiffs entlang der zweiten Achse 17 angeordnet ist.
Der Vektor der Gesamtkraft FG lässt sich folglich aufteilen in einen Vektor in Richtung der Längsachse 3 bzw. der ersten Achse 13 und in einen zweiten Vektor in Richtung der zweiten Achse 17. Der Anteil in Richtung der ersten Achse 13 bzw. der Längsachse 3 wird nachfolgend als Fv bezeichnet. Der Vektor in Richtung der zweiten Achse 17 wird nachfolgend als FQ bezeichnet. Fv steht hierbei für Vorschubkraft und erstreckt sich in Richtung des Pfeils 39, während FQ als Querkraft zu verstehen ist, und sich in Richtung des Pfeils 41 ausbreitet.
Je nach dem, in welche Richtung der Vektor FG wirkt, unterscheidet sich die von dem ersten Dehnungssensor 9 festgestellte Biegebeanspruchung von der von dem zweiten Dehnungssensor 11 festgestellten Biegebeanspruchung. Das Verhältnis der Biegebeanspruchungen in den Richtungen der Pfeile 39 und 41 zueinander ändert sich mit einem Winkel y zwischen der Gesamtkraft FG in Richtung des Pfeils 37 und einer der beiden Achsen 13 und 17. Für den Fall, dass die von dem ersten Dehnungssensor und dem zweiten Dehnungssensor 11 erfassten Biegebeanspruchungen gleich groß sind, beträgt der Winkel zwischen der Gesamtkraft FG und der Vorschubkraft Fv y = 45°. Für den Fall, dass beispielsweise die von dem ersten Dehnungssensor 9 festgestellte Biegebeanspruchung doppelt so groß ist wie die von dem zweiten Dehnungssensor 11 festgestellte Biegebeanspruchung, beträgt der Winkel von FG zu Fv bzw. zu der ersten Achse 13 y = 30°.
Allgemein formuliert ergibt sich folglich der Winkel y zwischen FG und Fv aus der Beziehung y = arctan (Signalwert des ersten Dehnungssensors 11 / Signalwert des zweiten Dehnungssensors 9).
Ebenso lässt sich aus den beiden von den einzelnen Dehnungssensoren 9, 1 1 ermittelten Signalwerten zusätzlich zu dem Winkel der angreifenden Kraft FG deren Betrag im Verhältnis zu wahlweise dem ersten oder zweiten Dehnungssensor-Messwert ermitteln. Der Betrag des Vektors ergibt sich aus der Beziehung FG= FV/COS( ) bzw. Signalwert- Äquivalent = (Signalwert des ersten Dehnungssensors 9) / cos y).

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor (10), mit den Schritten:
Erfassen der Windrichtung eines Windes (W), und
Betreiben des wenigstens einen Magnus-Rotors (10) mit einer Umdrehungsrichtung, so dass durch die Wirkung zwischen Wind (W) und Magnus-Rotor (10) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt einer Vorwärtsrichtung des Schiffes gerichtet ist.
2. Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigstens einem ersten und zweiten Magnus-Rotor (10a, 10b, 10c, 10d), wobei wenigstens ein erster Magnus-Rotor ( 0a, 10c) auf der Backbord-Seite des Schiffes und wenigstens ein zweiter Magnus-Rotor (10b, 10d) auf der Steuerbord-Seite des Schiffes vorgesehen ist, mit den Schritten:
Erfassen der Windrichtung eines Windes (W),
Betreiben des wenigstens einen ersten Magnus-Rotors (10a, 10c) mit einer ersten Umdrehungsrichtung, so dass durch die Wirkung zwischen Wind (W) und dem wenigstens einen ersten Magnus-Rotor (10a, 10c) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen in Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärtsbewegung des Schiffes gerichtet ist, und
gleichzeitig Betreiben des wenigstens einen zweiten Magnus-Rotors (10b, 10d) mit einer zweiten Umdrehungsrichtung, die der ersten Umdrehungsrichtung entgegengesetzt ist, so dass durch die Wirkung zwischen Wind (W) und dem wenigstens einen zweiten Magnus-Rotor (10b, 10d) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt der Richtung der Kraft des wenigstens einen ersten Magnus-Rotors (10a, 10c) gerichtet ist.
3. Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere Frachtschiffes, mit wenigs- tens einem ersten und zweiten Magnus-Rotor (10a, 10b, 10c, 10d), wobei wenigstens ein erster Magnus-Rotor (10a, 10c) auf der Backbord-Seite des Schiffes und wenigstens ein zweiter Magnus-Rotor (10b, 10d) auf der Steuerbord-Seite des Schiffes vorgesehen ist, mit den Schritten:
Erfassen der Windrichtung eines Windes (W), und
Betreiben des wenigstens einen ersten Magnus-Rotors (10a, 10c) und des wenigstens einen zweiten Magnus-Rotors (10b, 10d) mit der gleichen Umdrehungsrichtung, so dass durch die Wirkung zwischen Wind (W) und dem wenigstens ersten und zweiten Magnus-Rotor (10a, 10b, 10c, 10d) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen in Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärtsbewegung des Schiffes gerichtet ist,
wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit des wenigstens einen ersten Magnus- Rotors (10a, 10c) unterschiedlich zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des wenigstens einen zweiten Magnus-Rotors (10b, 10d) ist.
4. Schiff, insbesondere Frachtschiff, mit
wenigstens einem Magnus-Rotor (10), einem jedem Magnus-Rotor zugeordneten Motor (M) und einem zugeordneten Umrichter (U),
mindestens einer Steuereinheit (SE) zum Steuern des mindestens einen Umrichters, um die Umdrehungsrichtung und/oder Umdrehungsgeschwindigkeit des mindestens einen Magnus-Rotors zu steuern,
wobei die Steuereinheit (SE) in einer ersten Betriebsart dazu ausgestaltet ist, die Umdrehungsrichtung des mindestens einen Magnus-Rotors (10) derart zu steuern, dass durch die Wirkung zwischen Wind (W) und Magnus-Rotor (10) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt einer Vorwärtsrichtung des Schiffes gerichtet ist,
wobei die Steuereinheit (SE) in einer zweiten Betriebsart dazu ausgestaltet ist, einen ersten Magnus-Rotor auf der Backbordseite des Schiffes mit einer ersten Umdre- hungsrichtung zu betreiben, so dass durch die Wirkung zwischen dem Wind (W) und dem wenigstens einen ersten Magnus-Rotor (10a, 10c) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen in Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärtsbewegung des Schiffes gerichtet ist, einen zweiten Magnus-Rotor auf der Steuerbordseite des Schiffes mit einer zweiten Umdrehungsrichtung zu betreiben, die der ersten Umdrehungsrichtung entge- gengesetzt ist, so dass durch die Wirkung zwischen Wind und dem wenigstens einen zweiten Magnus-Rotor (10b, 10d) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen entgegengesetzt der Richtung der Kraft des wenigstens einen ersten Magnus-Rotors gerichtet ist, und/oder
wobei die Steuereinheit in einer dritten Betriebsart dazu ausgestaltet ist, wenigs- tens einen ersten Magnus-Rotor auf der Backbordseite des Schiffes und wenigstens einen zweiten Magnus-Rotor auf der Steuerbordseite des Schiffes mit der gleichen Umdrehungsrichtung zu betreiben, so dass die Wirkung zwischen Wind (W) und dem wenigstens ersten und zweiten Magnus-Rotor (10a, 10b, 10c, 10d) eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen in Richtung der Vorwärtsrichtung oder der Rückwärtsbewegung des Schiffes gerichtet ist, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit des ersten Magnus-Rotors unterschiedlich zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des zweiten Magnus-Rotors ist.
EP11758191.8A 2010-09-16 2011-09-14 Verfahren zum betreiben eines schiffes, insbesondere eines frachtschiffes, mit wenigstens einem magnus-rotor Ceased EP2616327A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010040903A DE102010040903A1 (de) 2010-09-16 2010-09-16 Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere eines Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor
PCT/EP2011/065955 WO2012035071A1 (de) 2010-09-16 2011-09-14 Verfahren zum betreiben eines schiffes, insbesondere eines frachtschiffes, mit wenigstens einem magnus-rotor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2616327A1 true EP2616327A1 (de) 2013-07-24

Family

ID=44654109

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11758191.8A Ceased EP2616327A1 (de) 2010-09-16 2011-09-14 Verfahren zum betreiben eines schiffes, insbesondere eines frachtschiffes, mit wenigstens einem magnus-rotor

Country Status (9)

Country Link
US (2) US20130291775A1 (de)
EP (1) EP2616327A1 (de)
JP (2) JP5748855B2 (de)
KR (1) KR101518655B1 (de)
CN (1) CN103140418A (de)
CA (1) CA2811487A1 (de)
DE (1) DE102010040903A1 (de)
TW (1) TWI429560B (de)
WO (1) WO2012035071A1 (de)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010040920A1 (de) * 2010-09-16 2012-03-22 Aloys Wobben Schiff, insbesondere Frachtschiff, mit einem Magnus-Rotor
DE102010040903A1 (de) * 2010-09-16 2012-03-22 Aloys Wobben Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere eines Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor
GB2515803B (en) * 2013-07-04 2015-08-05 Norsepower Oy Control arrangement for a Magnus-type rotor propulsion system
GB2514855B (en) * 2013-07-04 2015-08-05 Norsepower Oy User-Operable control for Magnus-type rotor propulsion system
CN105398549A (zh) * 2015-12-24 2016-03-16 广西师范大学 一种电动竹筏电动推进控制舵
FI126441B (en) * 2016-02-02 2016-12-15 Norsepower Oy Method and apparatus for attenuating vessel movements
US10118696B1 (en) 2016-03-31 2018-11-06 Steven M. Hoffberg Steerable rotating projectile
CN107762722A (zh) * 2017-09-11 2018-03-06 中国船舶科学研究中心上海分部 一种带有螺旋侧板的风力助航转筒
US11712637B1 (en) 2018-03-23 2023-08-01 Steven M. Hoffberg Steerable disk or ball
JP6608553B1 (ja) * 2019-03-14 2019-11-20 ジャパン・ハムワージ株式会社 輻輳海域の避航操船方法および避航操船システム
KR102629448B1 (ko) 2019-09-11 2024-01-24 삼성중공업 주식회사 추진장치
KR102596173B1 (ko) 2019-09-19 2023-10-30 삼성중공업 주식회사 추진장치
KR102596174B1 (ko) 2019-09-23 2023-10-30 삼성중공업 주식회사 추진장치
US10859065B1 (en) * 2019-12-12 2020-12-08 Li Li Supplemental propulsion system for vehicles
FI129126B (en) * 2020-08-04 2021-07-30 Norsepower Oy SHIP 'S WIND POWER PLANT CONTROL METHOD
CN112193394B (zh) * 2020-10-16 2022-05-10 青岛科技大学 一种在商船上综合利用风能的装置及方法
KR102595973B1 (ko) * 2021-10-26 2023-10-31 한화오션 주식회사 선박의 매그너스 로터를 이용한 추력 및 항력 추정방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2430630A1 (de) * 1974-06-26 1976-04-01 Franz Rudolf Gross Steuerung eines schiffes mit rotorantrieb
US4398895A (en) * 1981-05-14 1983-08-16 Asker Gunnar C F Wind propulsion devices
GB9018562D0 (en) * 1990-08-23 1990-10-10 England K J Wind propulsion system for ships
DE102005028447B4 (de) * 2005-06-17 2009-12-17 Wobben, Aloys Schiff
DE102006025732B4 (de) * 2006-05-31 2010-05-20 Wobben, Aloys Magnusrotor
FI123862B (fi) * 2008-12-08 2013-11-29 Waertsilae Finland Oy Vesialus
CN201566826U (zh) * 2009-04-01 2010-09-01 胡俊 充气式可升降转筒风帆
DE102010040903A1 (de) * 2010-09-16 2012-03-22 Aloys Wobben Verfahren zum Betreiben eines Schiffes, insbesondere eines Frachtschiffes, mit wenigstens einem Magnus-Rotor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2012035071A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP6110426B2 (ja) 2017-04-05
DE102010040903A1 (de) 2012-03-22
WO2012035071A1 (de) 2012-03-22
US20130291775A1 (en) 2013-11-07
CA2811487A1 (en) 2012-03-22
JP2015145241A (ja) 2015-08-13
TW201238838A (en) 2012-10-01
JP2013537866A (ja) 2013-10-07
JP5748855B2 (ja) 2015-07-15
US20140102344A1 (en) 2014-04-17
TWI429560B (zh) 2014-03-11
CN103140418A (zh) 2013-06-05
KR101518655B1 (ko) 2015-05-07
KR20130051003A (ko) 2013-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2616327A1 (de) Verfahren zum betreiben eines schiffes, insbesondere eines frachtschiffes, mit wenigstens einem magnus-rotor
EP2616324B1 (de) Schiff, insbesondere frachtschiff, mit einem magnus-rotor
DE3207398C2 (de) Schiffspropulsionsanlage mit einem Haupt- und einem Kontrapropeller
EP1893477B1 (de) Schiff
DE60308563T2 (de) Schiffsantrieb und Verfahren dazu
EP2417019B1 (de) Schiffsantrieb
AT507419B1 (de) Querstrahlruder für ein wasserfahrzeug
EP2616785B1 (de) Schiff mit magnus-rotor und kraftmessvorrichtung
WO2019206996A1 (de) Verfahren zum steuern eines schleppverbandes
DE102018109085A1 (de) Antriebsanordnung zur Kompensation und/oder zur Minderung und/oder zur Verringerung der Rollbewegung und/oder der Stampfbewegung eines Wasserfahrzeuges
DE4340747C1 (de) Schiffspropulsionsanlage mit zwei gegenläufig rotierenden Propellern
EP2668091B1 (de) Elektrisches antriebssystem für ein wasserfahrzeug und verfahren zum betrieb eines derartigen antriebssystems
EP2534044B1 (de) Verfahren zum manövrieren einer yacht
EP4257476A1 (de) Steuerverfahren für ein schiff mit einem verstellpropeller
EP1300332B1 (de) Fahranlage für Schiffe, insbesondere für Kreuzfahrtschiffe
DE566902C (de) Vorrichtung zum Antreiben und Steuern von Wasserfahrzeugen
DE102019005436A1 (de) Segeladapter
DE102021107470B4 (de) Wasserfahrzeug
WO2019025134A1 (de) Aktivrudernachrüstung
DE19601226A1 (de) Anordnung zum Steuern eines Wasserfahrzeuges unter Benutzung einer einen gerichteten Wasserstrahl erzeugenden Vorrichtung
EP4230517A1 (de) Frachtschiff mit effizenzverbessertem mehrpropellerantrieb
DE2154903B2 (de) Vorrichtung zum Antrieb und zur Steuerung von Luftkissenfahrzeugen mit Bodeneffekt
WO2020035112A1 (de) Verfahren für antrieb und steuerung eines schiffes und schiff dafür

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20130416

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20150408

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: WOBBEN PROPERTIES GMBH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R003

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 20160623