EP2781449B1 - Mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor - Google Patents

Mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor Download PDF

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EP2781449B1
EP2781449B1 EP13001477.2A EP13001477A EP2781449B1 EP 2781449 B1 EP2781449 B1 EP 2781449B1 EP 13001477 A EP13001477 A EP 13001477A EP 2781449 B1 EP2781449 B1 EP 2781449B1
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EP
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ship
ship propeller
rotors
propeller
propulsor
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Moustafa Abdel-Maksoud
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Technische Universitaet Hamburg TUHH
Tutech Innovation GmbH
Original Assignee
Technische Universitaet Hamburg TUHH
Tutech Innovation GmbH
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    • B63H2005/1256—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis with mechanical power transmission to propellers
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    • B63H2023/005—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements using a drive acting on the periphery of a rotating propulsive element, e.g. on a dented circumferential ring on a propeller, or a propeller acting as rotor of an electric motor

Definitions

  • the invention relates to a mechanically driven, hubless ship propulsor according to the preamble of patent claim 1.
  • a correspondingly mechanically driven hubless ship propulsor is from the WO 2011/029550 A1 known.
  • this ship's propulsor its drive shaft is guided within the ship's hull, with the drive energy being transmitted to the rotors by means of toothed rings provided on the outer ring of the rotors.
  • a comparatively high degree of efficiency is achieved and a stepless change in the thrust in the direction of travel from forwards to backwards is possible.
  • the well-known ship's propulsor has rotors, the wings of which are arranged in a ring and which are designed with a ring gear and are connected to a ship's engine via a drive shaft with a pinion for the transmission of a rotary movement. Furthermore, this well-known ship's propulsor has a nozzle in which the rotors are arranged.
  • the rotating vanes of the rotors are designed to be individually adjustable in angle and can be constantly adjusted with respect to their angular position to local flow conditions with each revolution, with the inflow conditions in the nozzle being of particular importance here.
  • the well-known ship's propulsor is designed as a double propulsor and has two rotors which are arranged one behind the other in the direction of flow of the water and can rotate in opposite directions.
  • the invention is based on the object of further developing the mechanically driven, hubless ship propulsor in such a way that the maneuverability of a ship equipped with such a ship propulsor is improved.
  • this object is achieved by a mechanically driven hubless ship propulsor which, in addition to the features specified in the preamble of patent claim 1, also has the features specified in the characterizing part of patent claim 1.
  • ship propulsors it is possible for such ship propulsors to also generate thrust transversely to the direction of travel of the ship. Accordingly, a rudder is no longer required to ensure the maneuverability of the ship.
  • a gearless and rudderless design of the propulsion system of the ship is thus made possible.
  • the direction of travel of the ship can be controlled with the rotatable ship propulsor. The overall resistance of the ship is thus significantly reduced.
  • the rotatability of the ship's propulsor according to the invention has significant advantages for the dynamic positioning and maintaining the position of ships and platforms in rough seas. This opens up a wide range of possible applications for the mechanically driven, hubless ship propulsor according to the invention in the installation and maintenance of offshore wind turbines.
  • the ship's propulsor according to the invention has a drive gear which is drive-connected to the pinion of the drive shaft and meshes with the outer toothed gears of the two rotors.
  • the torque requirement of the rotors can be controlled by shifting the guide rails causing the angular adjustment of the rotating blades of the rotors and/or by rotating the ship's propulsor.
  • the operating point of the ship's engine can be maintained when the ship's propulsor is swiveled out, because swiveling the ship's propulsor increases the torque requirement of the rotors considerably, which could lead to the ship's engine being overloaded with the risk of failure.
  • the torque requirement of the ship's propulsor can be throttled to a constant value through optimized control of the adjustment. This has an advantageous effect on the efficiency of the ship's engine and accordingly results in reduced wear due to less load variation and lower loads on the mechanical components of the ship's engine.
  • the direction of thrust of the ship's propulsor according to the invention can be reversed by shifting guide rails, which bring about the angular adjustment of the rotating blades of the rotors, and/or by rotating the ship's propulsor. This improves the maneuverability of a ship even in the event of technical malfunctions.
  • the number of teeth of the outer ring gears and the number of teeth of the pinion of the drive shaft are selected in such a way that the transmission of the rotary movement between the ship's engine and the ship's propulsor can be implemented without gears.
  • the ship's propulsor according to the invention is arranged with its nozzle at a distance below a ship's bottom, there is the advantage that the influence of the boundary layer on the ship's bottom on the inflow to the nozzle is reduced. Furthermore, the axes of rotation of the rotors no longer have to run parallel to the longitudinal axis of symmetry of the ship, they can be adapted to the local inflow direction. This results in a more uniform inflow to the nozzle, which increases the efficiency of the ship's propulsor according to the invention. In addition, this reduces the vibrations, as a result of which the sensitivity of the ship's propulsor according to the invention to cavitation decreases.
  • the ship's propulsor according to the invention has a control device in an advantageous embodiment, by means of which the angle of the rotating blades of the rotors can be adjusted so that the ship's engine can be operated in the optimum operating state.
  • the speed of the ship's propulsor and the angular position of the rotating wings can be optimized as a function of influencing parameters of a wake field, e.g. taking into account a trim position and loading condition of the ship and possibly other influencing variables.
  • the ship's propulsor has a transmission shaft which is arranged perpendicularly to the axis of rotation of the rotors of the ship's propulsor and extends upwards from the drive gear of the ship's propulsor to and extends through the ship's bottom, in which case an input gear should also be provided which is arranged at the end of the transmission shaft which is arranged above the ship's bottom and meshes with the pinion of the drive shaft.
  • the rotatability of the ship's propulsor according to the invention can be realized with comparatively little technical and structural effort if the transmission shaft is rotatably accommodated in a vertical support designed to be streamlined in its cross section to the ship's bottom rotatably arranged turntable and propulsor side is firmly attached to the nozzle.
  • the turntable can be rotated in a fixed manner in the axial direction and is held tightly in the ship's bottom in such a way that it can be used to transmit thrust forces to the ship's hull, the turntable being rotatable by means of electric servomotors or hydraulic actuators and being fixable in a once assumed position.
  • the input gear of the transmission shaft of the ship's propulsor is preferably arranged at right angles to the pinion of the drive shaft, it can be made possible with comparatively little technical and design effort that the input gear can be driven by other pinions or other drive shafts.
  • the operational reliability of the ship's propulsor according to the invention can be increased in that it can be connected to a number of different ship's engines.
  • the ship's propulsor according to the invention to be driven simultaneously by a number of ship's engines.
  • the rotary power can be generated mechanically or electrically.
  • a ship propulsor At an in figure 1 shown embodiment of a ship propulsor according to the invention this is driven by a drive shaft 1 of a ship's engine.
  • the drive shaft 1 At its end on the ship's propulsor side, the drive shaft 1 has a pinion 2, by means of which the mechanical energy is transmitted from the drive shaft 1 to an input gear wheel 22 of the ship's propulsor.
  • the input gear 22 is arranged with its axis of rotation at right angles to the axis of rotation of the pinion 2 in the illustrated embodiment.
  • the toothing of the pinion 2 or the input gear wheel 22 is designed accordingly.
  • a drive shaft 1 and a pinion 2, which meshes with the input gear 22, are provided. In principle, there is the possibility of allowing several drive shafts and pinions 2 to act on the input gear wheel 22 .
  • the input gear 22 is at in figure 1 arranged at the upper end of a transmission shaft 23, the upper end of the transmission shaft 23 having the input gear wheel 22 being arranged above a ship's bottom 21 designed as a double bottom 27 in the exemplary embodiment shown.
  • the transmission shaft 23 extends in a downward direction through the ship's bottom 21 towards the rotors 4, 5 of the ship's propulsor.
  • the two rotors 4, 5 of the in figure 1 shown embodiment of the ship's propulsor according to the invention are arranged in a nozzle 8 of the ship's propulsor.
  • a jet stream flows through the jet in the flow direction shown by arrow F.
  • the two rotors 4, 5 of the ship's propulsor are arranged one behind the other. It should be noted that in figure 1 both the nozzle 8 and the rotors 4, 5 are each shown only with their upper part facing the bottom 21 of the ship.
  • the transmission shaft 23 of the ship's propulsor protrudes into the nozzle 8 and carries a drive gear 25 there with an outer ring gear 20 which is formed on the side of the second rotor 5 facing the drive gear 25 .
  • the two rotors 4, 5 rotate in opposite directions, as shown by the arrow 17 for the first rotor 4 and the arrow 18 for the second rotor 5.
  • a pinion can be used between the drive gear and the outer ring gears 19, 20, which is not provided in the illustrated embodiment.
  • one of the outer ring gears can be omitted, in which case a stator can be used.
  • the angular position of the individual stator vanes can still be designed to be adjustable.
  • the transmission shaft 22 is rotatably mounted in and in relation to the nozzle 8 by means of a bearing 30 in the region of its lower end section, i.e. the end section facing the nozzle 8 .
  • the two rotors 4, 5 are also rotatably accommodated in the nozzle 8.
  • the transmission shaft 23 of the ship's propulsor penetrates the ship's bottom 21.
  • a turntable 28 is arranged fixed in the axial direction.
  • the turntable 28 is in turn rotatable about a vertical axis with respect to the ship's bottom 21 .
  • electric servomotors or hydraulic actuators 31 assigned to the turntable 28 are provided.
  • the turntable 28 In its central area, the turntable 28 has a bearing 29 in which the transmission shaft 23 is rotatably supported. The axis of rotation of the turntable 28 is arranged coaxially to the axis of rotation of the transmission shaft 23 .
  • a seal 26 is arranged between the turntable 28 on the one hand and the bottom 21 of the ship on the other hand, which seal prevents water from penetrating between the turntable 28 and the bottom 21 of the ship.
  • a vertical support 24 is arranged between the underside of the rotary plate 28 and the upper side of the nozzle 8 opposite it.
  • the cross section of the vertical support 24 is, as can be seen in particular figure 2 results, aerodynamically designed, with the transmission shaft 23 of the ship's propulsor being accommodated within the vertical support 24 .
  • the vertical support 24 fixedly connected to this and the nozzle 8 fixedly connected to the vertical support 24 are rotated with the turntable 28. Accordingly, the nozzle 8 with the rotors 4, 5 can be rotated 360 degrees around the vertical axis.
  • the electric servomotors or hydraulic actuators 31 By means of the electric servomotors or hydraulic actuators 31, the turntable 28 and thus the nozzle 8 can be held in a position once it has been set.
  • the transmission shaft 23 of the ship's propulsor is rotatable both in the area of the turntable 28 by means of the bearing 29 and in the area of the nozzle 8 by means of the bearing 30, but is axially fixed.
  • the two rotors 4, 5 of the ship's propulsor according to the invention are designed without a hub. According to wings 10 of the rotors 4, 5, as can be seen in particular figure 3 results, held on the outer edge of the rotor 4 and 5 respectively. It should be noted that in figure 3 For reasons of representation, only a single blade 10 of the rotor 4 or 5 is shown, the number of blades 10 per rotor 4, 5 of course being able to be selected according to the respective profile of requirements.
  • the flow conditions within the nozzle 8 improve, so that an open flow is possible in the center of the nozzle 8 .
  • Each individual wing 10 is connected to the outer edge of the rotor 4 or 5 in the manner described below and can be individually adjusted with regard to its angle of attack.
  • Each wing 10 is assigned a bearing 7 on the outer edge of the rotor 4 or 5, in which the wing 10 is rotatably seated.
  • a rotatably supported in the bearing 7 fastening member 9 of the wing 10 is fixedly connected to a gear 12.
  • a toothed section of a slide 11a, 11b acts on this gear wheel 12, which is firmly connected to the fastening member 9 and thus to the wing 10.
  • the toothed section 11a, 11b can be used to rotate the gear wheel 12 and thus adjust the setting angle of the wing 10 in relation to the rotor 4 or 5.
  • the tooth section of the slider 11a, 11b is in the in figure 4 upper part of the same arranged.
  • Each vane 10 is assigned a slide 11a, 11b, the slide 11a, 11b being slidably mounted on the rotor.
  • the angular position of each vane 10 in relation to the rotor 4 or 5 can be individually adjusted as desired by means of the slides 11a, 11b.
  • a guide rail 13 is provided on the first rotor 4 and a guide rail 15 is provided on the second rotor 5 for adjusting the slides 11a, 11b.
  • each slide 11a, 11b On its section 11b on the guide rail side, each slide 11a, 11b is provided with bearing rollers 16, by means of which it is fixed to the respective guide rail 13 or 15.
  • the guide rails 13 and 15 can be adjusted in terms of their axial position relative to the rotor 4 or 5 by means of controls 14 .
  • a corresponding displacement of the slide 11a, 11b on the rotor 4 or 5 is effected, whereby a corresponding adjustment of the angle of attack of the respective wing 10 of the rotor 4 or 5 can be realized by means of the gear wheel 12.
  • the direction of thrust of the ship's propulsor can be continuously controlled, i.e. the direction of thrust can be changed from forwards to backwards, for example, without having to change the direction of rotation of the drive shaft 1. Accordingly, the operating point of the respective rotor 4, 5 can be adjusted to the optimal operating point of the ship's engine.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanisch angetriebenen nabenlosen Schiffspropulsor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein entsprechend mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor ist aus der WO 2011/029550 A1 bekannt. Bei diesem Schiffspropulsor wird dessen Antriebswelle innerhalb des Schiffskörpers geführt, wobei die Antriebsenergie mittels am Außenring der Rotoren vorgesehener Zahnkränze auf die Rotoren übertragen wird. Im Falle des aus der WO 2011/029550 A1 bekannten Schiffspropulsors ist ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad realisiert und ist eine stufenlose Änderung des Schubs in Fahrtrichtung von vorwärts zu rückwärts möglich.
  • Der bekannte Schiffspropulsor hat Rotoren, deren Flügel in einem Ring angeordnet und die mit einem Zahnkranz ausgestaltet und mit einer Schiffsmaschine über eine Antriebswelle mit Ritzel zur Übertragung einer Drehbewegung verbunden sind. Des Weiteren hat dieser bekannte Schiffspropulsor eine Düse, in der die Rotoren angeordnet sind. Die rotierenden Flügel der Rotoren sind einzeln winkelverstellbar ausgebildet und können bei jeder Umdrehung ständig hinsichtlich ihrer Winkelstellung an lokale Strömungsbedingungen, wobei hier insbesondere die Zuströmbedingungen in der Düse von Bedeutung sind, angepasst werden. Der bekannte Schiffspropulsor ist als Doppelpropulsor ausgebildet und hat zwei in Strömungsrichtung des Wassers hintereinander angeordnete Rotoren, die kontrarotieren können.
  • Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den mechanisch angetriebenen nabenlosen Schiffspropulsor derart weiterzubilden, dass die Manövrierfähigkeit eines mit einem derartigen Schiffspropulsor ausgerüsteten Schiffes verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen mechanisch angetriebenen nabenlosen Schiffspropulsor gelöst, der neben den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen auch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Erfindungsgemäß wird es für derartige Schiffspropulsoren möglich, Schub auch quer zur Fahrtrichtung des Schiffes zu generieren. Entsprechend ist zur Gewährleistung der Manövrierfähigkeit des Schiffes kein Ruder mehr erforderlich. Erfindungsgemäß wird somit eine getriebe- und ruderlose Ausbildung der Antriebsanlage des Schiffes ermöglicht. Die Fahrtrichtung des Schiffes kann mit dem drehbaren Schiffspropulsor gesteuert werden. Der Gesamtwiderstand des Schiffes erfährt somit eine erhebliche Reduzierung. Darüber hinaus hat die Drehbarkeit des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors erhebliche Vorteile für die dynamische Positionierung bzw. das Halten der Position von Schiffen und Plattformen im Seegang zur Folge. Hierdurch eröffnen sich breite Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen mechanisch angetriebenen nabenlosen Schiffspropulsors bei der Installation und Wartung von Offshore-Windenergie-Anlagen.
  • Zur konstruktiven Vereinfachung weist der erfindungsgemäße Schiffspropulsor ein Antriebszahnrad auf, das in Antriebsverbindung mit dem Ritzel der Antriebswelle steht und mit den Außenzahnkränken der beiden Rotoren kämmt.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors ist der Drehmomentenbedarf der Rotoren durch Verschiebung von die Winkelverstellung der rotierenden Flügel der Rotoren bewirkenden Führungsschienen und/oder durch Drehung des Schiffspropulsors steuerbar.
  • Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Betriebspunkt der Schiffsmaschine bei ausgeschwenktem Schiffspropulsor aufrecht erhaltbar ist, denn beim Schwenken des Schiffspropulsors erhöht sich der Drehmomentenbedarf der Rotoren erheblich, was zu einer Überlastung von Motoren der Schiffsmaschine mit Ausfallrisiken führen könnte. Durch eine optimierte Steuerung der Verstellung kann der Drehmomentenbedarf des Schiffspropulsors auf einen gleichbleibenden Wert gedrosselt werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der Schiffsmaschine aus und hat entsprechend einen verringerten Verschleiß durch geringere Lastvariation und geringere Belastungen der mechanischen Komponenten der Schiffsmaschine zur Folge.
  • Um eine noch bessere Anpassbarkeit des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors an die Zuströmbedingungen zur Düse zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Neigung des Schiffspropulsors vertikal und horizontal an die Strömungsrichtung anpassbar ist.
  • Vorteilhaft ist, dass die Schubrichtung des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors umkehrbar ist durch Verschiebung von Führungsschienen, welche die Winkelverstellung der rotierenden Flügel der Rotoren bewirken, und/oder durch Drehung des Schiffspropulsors. Hierdurch wird die Manövrierfähigkeit eines Schiffes auch im Falle technischer Störungen verbessert.
  • Um eine getriebelose Ausgestaltung der den erfindungsgemäßen Schiffspropulsor aufweisenden Schiffsantriebsanlage zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Zähnezahl der Außenzahnkränze und die Zähnezahl des Ritzels der Antriebswelle derart gewählt sind, dass die Übertragung der Drehbewegung zwischen der Schiffsmaschine und dem Schiffspropulsor getriebelos realisierbar ist.
  • Wenn der erfindungsgemäße Schiffspropulsor mit seiner Düse mit Abstand unterhalb eines Schiffsbodens angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, dass der Einfluss der Grenzschicht am Schiffsboden auf die Zuströmung zur Düse verringert wird. Des Weiteren müssen die Drehachsen der Rotoren nicht mehr parallel zur Längssymmetrieachse des Schiffes verlaufen, sie können an die lokale Zuströmrichtung angepasst werden. Hierdurch wird ein gleichmäßigerer Zustrom zur Düse bewirkt, wodurch der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors erhöht wird. Außerdem verringern sich hierdurch die Vibrationen, wodurch die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors gegen Kavitation sinkt.
  • Um den Wirkungsgrad der Schiffsantriebsanlage zu erhöhen, weist der erfindungsgemäße Schiffspropulsor in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Regeleinrichtung auf, mittels der die Winkel der rotierenden Flügel der Rotoren so einstellbar sind, dass die Schiffsmaschine im optimalen Betriebszustand betreibbar ist.
  • Mittels einer derartigen Regeleinrichtung sind zweckmäßigerweise die Drehzahl des Schiffspropulsors und die Winkelstellung der rotierenden Flügel in Abhängigkeit von Einflussparametern eines Nachstromfeldes, z.B. unter Berücksichtigung einer Trimmlage und eines Beladungszustands des Schiffes sowie ggf. weiterer Einflussgrößen, optimierbar.
  • Zum Anschluss des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors an die Antriebswelle der Schiffsmaschine bzw. das an dieser Antriebswelle vorgesehene Ritzel ist es vorteilhaft, wenn der Schiffspropulsor eine Übertragungswelle aufweist, die senkrecht zur Drehachse der Rotoren des Schiffspropulsors angeordnet ist und sich vom Antriebszahnrad des Schiffspropulsors in aufwärtiger Richtung zum und durch den Schiffsboden erstreckt, wobei darüber hinaus ein Eingangszahnrad vorgesehen sein sollte, das am oberhalb des Schiffsbodens angeordneten Ende der Übertragungswelle angeordnet ist und mit dem Ritzel der Antriebswelle kämmt.
  • Die Drehbarkeit des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors ist mit einem vergleichsweise geringen technisch-konstruktiven Aufwand realisierbar, wenn die Übertragungswelle drehbar in einer in ihrem Querschnitt strömungsgünstig gestalteten Vertikalstütze aufgenommen ist, die schiffsbodenseitig an einem zum Schiffsboden drehbar angeordneten Drehteller und propulsorseitig an der Düse fest angebracht ist.
  • Vorteilhaft ist hierbei der Drehteller in Axialrichtung fixiert drehbar und dicht so im Schiffsboden aufgenommen, dass mittels ihm Schubkräfte auf den Schiffsrumpf übertragbar sind, wobei der Drehteller mittels elektrischer Stellmotoren oder hydraulischer Aktuatoren drehbar und in einer einmal eingenommenen Position fixierbar ist.
  • Wenn das Eingangszahnrad der Übertragungswelle des Schiffspropulsors vorzugsweise rechtwinklig zum Ritzel der Antriebswelle angeordnet ist, kann mit einem vergleichsweise geringen technisch-konstruktiven Aufwand ermöglicht werden, dass das Eingangszahnrad von weiteren Ritzeln bzw. weiteren Antriebswellen antreibbar ist. Hierdurch kann die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors dadurch erhöht werden, dass er an mehrere unterschiedliche Schiffsmaschinen anschließbar ist. Darüber hinaus ist auch ein gleichzeitiger Antrieb des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors durch mehrere Schiffsmaschinen denkbar. Dabei kann die Drehleistung mechanisch oder elektrisch erzeugt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Seitenansicht zur Leistungsübertragung im Falle einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schiffspropulsors erforderlichen Bauteile;
    Figur 2
    eine Schnittdarstellung A - A in Figur 1;
    Figur 3
    eine Darstellung zur Verdeutlichung der Verstellung von Flügeln von Rotoren des in Figur 1 gezeigten erfindungsgemäßen Schiffspropulsors; und
    Figur 4
    eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der Verstellung der in Figur 3 gezeigten Flügel.
  • Bei einer in Figur 1 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schiffspropulsors wird dieser mittels einer Antriebswelle 1 einer Schiffsmaschine angetrieben. Die Antriebswelle 1 hat an ihrem schiffspropulsorseitigen Ende ein Ritzel 2, mittels dem die mechanische Energie von der Antriebswelle 1 auf ein Eingangszahnrad 22 des Schiffspropulsors übertragen wird. Das Eingangszahnrad 22 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit seiner Drehachse rechtwinklig zur Drehachse des Ritzels 2 angeordnet. Entsprechend ist die Verzahnung des Ritzels 2 bzw. des Eingangszahnrads 22 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine Antriebswelle 1 und ein Ritzel 2, das mit dem Eingangszahnrad 22 kämmt, vorgesehen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, mehrere Antriebswellen und Ritzel 2 auf das Eingangszahnrad 22 einwirken zu lassen.
  • Das Eingangszahnrad 22 ist am in Figur 1 oberen Ende einer Übertragungswelle 23 angeordnet, wobei das das Eingangszahnrad 22 aufweisende obere Ende der Übertragungswelle 23 oberhalb eines im dargestellten Ausführungsbeispiel als Doppelboden 27 ausgeführten Schiffsbodens 21 angeordnet ist.
  • Vom Eingangszahnrad 22 aus erstreckt sich die Übertragungswelle 23 in abwärtiger Richtung durch den Schiffsboden 21 in Richtung zu Rotoren 4, 5 des Schiffspropulsors.
  • Die beiden Rotoren 4, 5 der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors sind in einer Düse 8 des Schiffspropulsors angeordnet. Durch die Düse strömt ein Düsenstrom in der durch den Pfeil F gezeigten Strömungsrichtung. In dieser Strömungsrichtung F sind die beiden Rotoren 4, 5 des Schiffspropulsors hintereinander angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass in Figur 1 sowohl die Düse 8 als auch die Rotoren 4, 5 jeweils nur mit ihrem dem Schiffsboden 21 zugewandten oberen Teil gezeigt sind.
  • Mit ihrem in Figur 1 unteren, ihrem Eingangszahnrad 22 entgegengesetzten Ende ragt die Übertragungswelle 23 des Schiffspropulsors in die Düse 8 hinein und trägt dort ein Antriebszahnrad 25. Das Antriebszahnrad 25 kämmt mit einem Außenzahnkranz 19, der auf der dem Antriebszahnrad 25 zugewandten Seite des ersten Rotors 4 ausgebildet ist, und mit einem Außenzahnkranz 20, der auf der dem Antriebszahnrad 25 zugewandten Seite des zweiten Rotors 5 ausgebildet ist. Entsprechend drehen sich die beiden Rotoren 4, 5 in entgegengesetzter Richtung, wie dies durch den Pfeil 17 für den ersten Rotor 4 und den Pfeil 18 für den zweiten Rotor 5 gezeigt ist.
  • Zur Reduzierung des Durchmessers des Antriebszahnrads 25 unter Beibehaltung des Abstandes zwischen den Rotoren 4 und 5 kann zwischen dem Antriebszahnrad und den Außenzahnkränzen 19, 20 jeweils ein im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels nicht vorgesehenes Ritzel eingesetzt werden.
  • Bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors, bei denen keine kontrarotierende Konfiguration des Schiffspropulsors bzw. seiner beiden Rotoren realisiert ist, kann einer der Außenzahnkränze entfallen, wobei dann ein Stator verwendet werden kann. In diesem Fall kann die Winkelstellung der einzelnen Statorflügel weiterhin verstellbar gestaltet werden.
  • Die Übertragungswelle 22 ist im Bereich ihres unteren, d.h. der Düse 8 zugewandten Endabschnitts mittels eines Lagers 30 drehbar in und in Bezug auf die Düse 8 gelagert. Auch die beiden Rotoren 4, 5 sind drehbar in der Düse 8 aufgenommen.
  • Wie vorstehend bereits erwähnt, durchdringt die Übertragungswelle 23 des Schiffspropulsors den Schiffsboden 21. In dem die Übertragungswelle 23 umgebenden Bereich des Schiffsbodens 21 ist ein Drehteller 28 in Axialrichtung fixiert angeordnet. Der Drehteller 28 ist in Bezug auf den Schiffsboden 21 seinerseits um eine vertikale Achse drehbar. Hierzu sind dem Drehteller 28 zugeordnete elektrische Stellmotoren oder hydraulische Aktuaktoren 31 vorgesehen.
  • In seinem mittleren Bereich weist der Drehteller 28 ein Lager 29 auf, in dem die Übertragungswelle 23 drehbar gehaltert ist. Die Drehachse des Drehtellers 28 ist koaxial zur Drehachse der Übertragungswelle 23 angeordnet. Zwischen dem Drehteller 28 einerseits und dem Schiffsboden 21 andererseits ist eine Dichtung 26 angeordnet, die das Eindringen von Wasser zwischen dem Drehteller 28 und dem Schiffsboden 21 verhindert.
  • Zwischen der Unterseite des Drehtellers 28 und der diesem gegenüberliegenden Oberseite der Düse 8 ist eine Vertikalstütze 24 angeordnet, die an ihrem oberen Ende fest mit der Unterseite des Drehtellers 28 und an ihrem unteren Ende fest mit der Oberseite der Düse 8 verbunden ist. Der Querschnitt der vertikalen Stütze 24 ist, wie sich insbesondere aus Figur 2 ergibt, strömungsgünstig gestaltet, wobei innerhalb der Vertikalstütze 24 die Übertragungswelle 23 des Schiffspropulsors aufgenommen ist.
  • Durch eine Drehung des Drehtellers 28 mittels der Stellmotoren bzw. Aktuatoren 31 wird mit dem Drehteller 28 die fest mit diesem verbundene Vertikalstütze 24 und die fest mit der Vertikalstütze 24 verbundene Düse 8 gedreht. Entsprechend ist die Düse 8 mit den Rotoren 4, 5 um 360 Grad um die vertikale Achse drehbar. Mittels der elektrischen Stellmotoren bzw. hydraulischen Aktuatoren 31 kann der Drehteller 28 und damit die Düse 8 in einer einmal eingestellten Position gehalten werden. Die Übertragungswelle 23 des Schiffspropulsors ist sowohl im Bereich des Drehtellers 28 mittels des Lagers 29 als auch im Bereich der Düse 8 mittels des Lagers 30 jeweils drehbar, jedoch axial fest gehaltert.
  • Die beiden Rotoren 4, 5 des erfindungsgemäßen Schiffspropulsors sind nabenlos ausgebildet. Entsprechend sind Flügel 10 der Rotoren 4, 5, wie sich insbesondere aus Figur 3 ergibt, am Außenrand des Rotors 4 bzw. 5 gehaltert. Es sei drauf hingewiesen, dass in Figur 3 aus Darstellungsgründen lediglich ein einziger Flügel 10 des Rotors 4 bzw. 5 gezeigt ist, wobei die Anzahl der Flügel 10 je Rotor 4, 5 selbstverständlich entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil ausgewählt werden kann.
  • Da der Rotor 4 bzw. 5 nabenlos ausgebildet ist, verbessern sich die Strömungsverhältnisse innerhalb der Düse 8, so dass in der Mitte der Düse 8 ein offener Durchfluss möglich ist.
  • Jeder einzelne Flügel 10 ist in der im Folgenden beschriebenen Weise am Außenrand des Rotors 4 bzw. 5 angebunden und einzeln hinsichtlich seines Anstellwinkels verstellbar.
  • Jedem Flügel 10 ist am Außenrand des Rotors 4 bzw. 5 ein Lager 7 zugeordnet, in dem der Flügel 10 verdrehbar sitzt. Ein im Lager 7 verdrehbar gehaltertes Befestigungsglied 9 des Flügels 10 ist fest mit einem Zahnrad 12 verbunden. Auf dieses fest mit dem Befestigungsglied 9 und damit dem Flügel 10 verbundene Zahnrad 12 wirkt ein Zahnabschnitt eines Schiebers 11a, 11b ein, durch welchen das Zahnrad 12 drehbar und damit der Stellwinkel des Flügels 10 in Bezug auf den Rotor 4 bzw. 5 verstellbar ist. Der Zahnabschnitt des Schiebers 11a, 11b ist im in Figur 4 oberen Teil desselben angeordnet. Jedem Flügel 10 ist ein Schieber 11a, 11b zugeordnet, wobei der Schieber 11a, 11b am Rotor verschiebbar gehaltert ist. Mittels der Schieber 11a, 11b lässt sich die Winkelstellung jedes Flügels 10 in Bezug auf den Rotor 4 bzw. 5 beliebig einzeln einstellen.
  • Zur Verstellung der Schieber 11a, 11b ist am ersten Rotor 4 eine Führungsschiene 13 und am zweiten Rotor 5 eine Führungsschiene 15 vorgesehen.
  • An seinem führungsschienenseitigen Abschnitt 11b ist jeder Schieber 11a, 11b mit Lagerrollen 16 versehen, mittels derer er an der jeweiligen Führungsschiene 13 bzw. 15 fixiert ist.
  • Die Führungsschienen 13 bzw. 15 sind hinsichtlich ihrer Axialposition zum Rotor 4 bzw. 5 mittels Steuerungen 14 verstellbar. Durch eine Verstellung der Führungsschienen 13, 15 wird eine entsprechende Verschiebung des Schiebers 11a, 11b am Rotor 4 bzw. 5 bewirkt, wodurch mittels des Zahnrads 12 eine entsprechende Verstellung des Anstellwinkels des jeweiligen Flügels 10 des Rotors 4 bzw. 5 realisierbar ist.
  • Bei der Gestaltung der Führungsschienen 13, 15 wird ein Nachstromfeld des Schiffes, bei dem der erfindungsgemäße Schiffspropulsor zum Einsatz kommt, berücksichtigt.
  • In Figur 4 ist eine Einströmrichtung des Wassers in die Düse 8 des Schiffspropulsors durch die Pfeile 0 angedeutet.
  • Durch die Verstellung der Flügel 10 der beiden Rotoren 4, 5 ist die Schubrichtung des Schiffspropulsors stufenlos steuerbar, d.h., die Schubrichtung kann z.B. von vorwärts auf rückwärts verändert werden, ohne dass die Drehrichtung der Antriebswelle 1 gewechselt werden müsste. Entsprechend kann der Betriebspunkt des jeweiligen Rotors 4, 5 dem optimalen Betriebspunkt der Schiffsmaschine angepasst werden.

Claims (13)

  1. Mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor, mit zumindest einem Rotor (4, 5), dessen Flügel in einem Ring angeordnet sind und der mit einem Zahnkranz (19, 20) ausgestaltet und mit einer Schiffsmaschine über eine Antriebswelle (1) mit Ritzel (2) zur Übertragung einer Drehbewegung verbunden ist, einer Düse (8), in der der zumindest eine Rotor (4, 5) angeordnet ist, wobei die rotierenden Flügel (10) des zumindest einen Rotors (4, 5) einzeln winkelverstellbar ausgebildet und bei jeder Umdrehung ständig hinsichtlich ihrer Winkelstellung an lokale Strömungsbedingungen, insbesondere die Zuströmbedingungen in der Düse (8), anpassbar sind, wobei der Schiffspropulsor als Doppelpropulsor ausgebildet ist und zwei in Strömungsrichtung des Wassers hintereinander angeordnete, vorzugsweise kontrarotierende Rotoren (4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiffspropulsor mit der Düse (8) und den darin angeordneten Rotoren (4, 5) um 360 Grad um eine vertikale Achse drehbar ist, und dass der Schiffspropulsor ein Antriebszahnrad (25) aufweist, das in Antriebverbindung mit dem Ritzel (2) der Antriebswelle (1) steht und mit Außenzahnkränzen (19, 20) der beiden Rotoren (4, 5) kämmt.
  2. Schiffspropulsor nach Anspruch 1, bei dem der Drehmomentenbedarf der Rotoren (4, 5) durch Verschiebung von die Winkelverstellung der rotierenden Flügel (10) der Rotoren (4, 5) bewirkenden Führungsschienen (13, 15) und/oder durch Drehung des Schiffspropulsors steuerbar ist.
  3. Schiffspropulsor nach Anspruch 1 und 2, bei dem der Betriebspunkt der Schiffsmaschine bei ausgeschwenktem Schiffspropulsor aufrecht erhaltbar ist.
  4. Schiffspropulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Neigung vertikal und Horizontal an die Strömungsrichtung anpassbar ist.
  5. Schiffspropulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Schubrichtung durch Verschiebung von die Winkelverstellung der rotierenden Flügel (10) der Rotoren (4, 5) bewirkenden Führungsschienen (13, 15) und/oder durch Drehung des Schiffspropulsors umkehrbar ist.
  6. Schiffspropulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Zähnezahl der Außenzahnkränze (19, 20) und die Zähnezahl des Ritzels (2) der Antriebswelle (1) derart gewählt sind, dass die Übertragung der Drehbewegung zwischen der Schiffsmaschine und dem Schiffspropulsor getriebelos realisierbar ist.
  7. Schiffspropulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der mit Abstand unterhalb eines Schiffsbodens (21) angeordnet ist.
  8. Schiffspropulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Regeleinrichtung, mittels derer die Winkel der rotierenden Flügel (10) der Rotoren (4, 5) so einstellbar sind, dass die Schiffsmaschine im optimalen Betriebszustand betreibbar ist.
  9. Schiffspropulsor nach Anspruch 8, mittels dessen Regeleinrichtung seine Drehzahl und die Winkelstellung der rotierenden Flügel (10) in Abhängigkeit von Einflussparametern eines Nachstromfeldes, z.B. unter Berücksichtigung einer Trimmlage und eines Beladungszustands des Schiffes sowie ggf. weiterer Einflussgrößen, optimierbar sind.
  10. Schiffspropulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Übertragungswelle (23), die senkrecht zur Drehachse der Rotoren (4, 5) des Schiffspropulsors angeordnet ist und sich vom Antriebszahnrad (25) des Schiffspropulsors in aufwärtiger Richtung zum und durch den Schiffsboden (21) erstreckt, und einem Eingangszahnrad (22), das am oberhalb des Schiffsbodens (21) angeordneten Ende der Übertragungswelle (23) angeordnet ist und mit dem Ritzel (2) der Antriebswelle (1) kämmt.
  11. Schiffspropulsor nach Anspruch 10, bei dem die Übertragungswelle (23) drehbar in einer in ihrem Querschnitt strömungsgünstig gestalteten Vertikalstütze (24) aufgenommen ist, die schiffsbodenseitig an einem zum Schiffsboden (21) drehbar angeordneten Drehteller (28) und propulsorseitig an der Düse (8) fest angebracht ist.
  12. Schiffspropulsor nach Anspruch 11, bei dem der Drehteller (28) in Axialrichtung fixiert drehbar und dicht so im Schiffsboden (21) aufgenommen ist, dass mittels ihm Schubkräfte auf den Schiffsrumpf übertragbar sind, und bei dem der Drehteller (28) mittels elektrischer Stellmotoren oder hydraulischer Aktuatoren (31) drehbar und in einer Position fixierbar ist.
  13. Schiffspropulsor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Eingangszahnrad (22) der Übertragungswelle (23) des Schiffspropulsors so vorzugsweise rechtwinklig zum Ritzel (2) der Antriebswelle (11) angeordnet ist, dass es von weiteren Ritzeln weiterer Antriebswellen antreibbar ist.
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