EP2802509A1 - Schiffsantrieb mit einem nabenlosen propeller - Google Patents

Schiffsantrieb mit einem nabenlosen propeller

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EP2802509A1
EP2802509A1 EP13709118.7A EP13709118A EP2802509A1 EP 2802509 A1 EP2802509 A1 EP 2802509A1 EP 13709118 A EP13709118 A EP 13709118A EP 2802509 A1 EP2802509 A1 EP 2802509A1
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EP
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rotor
tunnel wall
propeller
stator
flow
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EP13709118.7A
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EP2802509B1 (de
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Nicky Wolter
Christian GIERER
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/16—Propellers having a shrouding ring attached to blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/16—Propellers having a shrouding ring attached to blades
    • B63H2001/165—Hubless propellers, e.g. peripherally driven shrouds with blades projecting from the shrouds' inside surfaces

Definitions

  • the invention relates to a ship propulsion system with a hubless propeller.
  • propellers have become known from EP 1 739 007 AI.
  • the essential components of a hubless propeller are the following:
  • a rotor has a plurality of rotor blades which point radially inwards.
  • the rotor carries a variety of permanent magnets.
  • a stator surrounds the rotor.
  • the stator has or consists of a stator laminated core.
  • the invention has for its object to make a marine propulsion with a hubless propeller of the above type such that it can achieve an efficient cooling with seawater, and that at the same time the corrosion problem is solved.
  • FIG. 1 shows a schematic very general representation of one
  • Figure 2 shows in an axial section in an enlarged view essential
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a transverse jet drive
  • the hubless propeller shown in Figure 1 comprises a rotor 1 and a stator 2.
  • the propeller can serve as a main propulsion for a ship. He can also serve the lateral control of a ship. Thus, it can be installed in the hull of a ship and produce in operation a jet of water that runs horizontally and perpendicular to the longitudinal axis of the ship and exits to port or starboard from the ship's skin.
  • the rotor shown in Figure 2 is constructed as follows:
  • rotor ring 3 made of carbon steel. This is at its two axial ends of two support rings 4 made of stainless steel or a
  • connection between the rotor ring 3 and 4 support rings for example, a welded joint - see the weld 5.
  • a welded joint - see the weld 5.
  • another type of connection is conceivable.
  • Rotor ring 3 carries a plurality of permanent magnets 6. These have, for example, rod shape and can be arranged axially parallel or perpendicular to the axis.
  • the magnets are covered by a stainless steel sleeve 7. This is fixed with its axial end portions of the support rings 4, 4. As you can see, they are
  • the fixation can be done by laser welding.
  • the weld 8 is located in the axial direction as far as possible at the end of the two support rings 4, 4. This results in welding only a small amount of heat in the region of the permanent magnets 6, and thus does not affect their magnetic force.
  • the welding process using a laser welding process also contributes to this.
  • Permanent magnets 6 remains a gap of, for example, 2 mm. Also, the gap may have a lower thickness, for example, up to 0.5, or a greater thickness, for example, up to 5 mm.
  • All clearances between sleeve, magnet carrier and magnets are filled with a mass such as a resin-hardener mixture.
  • the rotor blades are not shown here. They extend radially inwards towards the axis of rotation.
  • Rotor 1 is enclosed by the stator 2.
  • the stator is not shown here.
  • Figure 3 shows a hubless propeller according to the invention as part of a transverse jet propulsion. This is installed in the bow of a ship.
  • the axis of rotation of the hubless propeller 1.3 also runs perpendicular to the ship's longitudinal axis.
  • the transverse jet drive is seated in a Strömungsleitgephaseuse 10, which in turn is arranged in a tunnel, see the tunnel wall 11, which is part of the ship.
  • the StrömungsleitgephasePSuse 10 is formed nozzle-like at its two ends. See the two nozzles 10.1 and 10.2.
  • the nozzles 10.1 and 10.2 are associated with current-carrying strips 12, which form a grid with each other.
  • Slit flow contributes significantly to the cooling of the motor formed by the rotor and stator. It thus runs in addition to the above-mentioned flow between tunnel wall 11 and stator housing 2.1.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale: - einen Rotor (1) mit einem Rotorring (3) aus Kohlenstoffstahl; - mehrere vom Rotorring getragene Rotorblätter, die radial nach innen weisen; - einen Stator mit einem Statorblechpaket; - mehrere von Rotorring getragene Permanentmagnete (6); - wobei der Propeller von einem zylindrischen Strömungsleitgehäuse (10) umschlossen ist; - wobei die Gehäusewand von einer zylindrischen Tunnelwand (11) umschlossen ist; - wobei sich zwischen Strömungsleitgehäuse und Tunnelwand ein Ringspalt befindet, der Öffnungen zum Ein- und Austritt von Seewasser aufweist; - und wobei radiale Positioniermittel zum radialen Positionieren und Fixieren des Strömungsleitgehäuses relativ zur Tunnelwand vorgesehen sind.

Description

Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller
Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller. Solche Propeller sind aus EP 1 739 007 AI bekannt geworden.
Sie dienen dabei als Hauptantrieb für Schiffe, aber auch als Querstrahlantriebe. Sie sind besonders geeignet zum Bugsieren von Schiffen und werden daher mit Erfolg beispielsweise in Yachten und Schleppern angewandt, aber auch bei Bohrplattformen.
Die wesentlichen Bauelemente eines nabenlosen Propellers sind die folgenden:
Ein Rotor weist mehrere Rotorblätter auf, die radial nach innen weisen. Der Rotor trägt eine Vielzahl von Permanentmagneten. Ein Stator umgibt den Rotor. Der Stator weist ein Stator-Blechpaket auf oder besteht aus einem solchen.
Problematisch bei solchen nabenlosen Propellern ist die Kühlung. Beim Betrieb entstehen große Wärmemengen, die zuverlässig abgeführt werden müssen. Als Kühlmittel dient Seewasser. Dieses hat korrodierende Eigenschaften. Deshalb besteht ein weiteres Problem in der Korrosion der wasserberührten Bauteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller der oben genannten Bauart derart zu gestalten, dass sich eine effiziente Kühlung mit Seewasser erzielen lässt, und dass gleichzeitig das Korrosionsproblem gelöst wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Schiffsantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt in schematischer sehr allgemeiner Darstellung einen
nabenlosen Propeller.
Figur 2 zeigt in einem Axialschnitt in vergrößerter Darstellung wesentliche
Bauteile des Rotors des Propellers gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Querstrahlantrieb,
wiederum in einem Axialschnitt.
Der in Figur 1 gezeigte nabenlose Propeller umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 2. Der Propeller kann als Hauptantrieb für ein Schiff dienen. Er kann aber auch der Quersteuerung eines Schiffes dienen. So kann er in den Rumpf eines Schiffes eingebaut sein und im Betrieb einen Wasserstrahl erzeugen, der horizontal und senkrecht zur Längsachse des Schiffes verläuft und an Backbord oder Steuerbord aus der Schiffshaut austritt.
Der in Figur 2 dargestellte Rotor ist wie folgt aufgebaut:
Er umfasst einen Rotorring 3 aus Kohlenstoffstahl. Dieser ist an seinen beiden axialen Enden von zwei Tragringen 4 aus Edelstahl oder einem
korrosionsgeschützten Kohlenstoffstahl getragen. Die Verbindung zwischen Rotorring 3 und Tragringen 4 ist beispielsweise eine Schweißverbindung - siehe die Schweißnaht 5. Jedoch ist auch eine andere Verbindungsart denkbar.
Rotorring 3 trägt eine Vielzahl von Permanentmagneten 6. Diese haben beispielsweise Stabform und können achsparallel oder senkrecht zur Achse angeordnet sein. Die Magnete sind abgedeckt von einer Edelstahlhülse 7. Diese ist mit ihren axialen Endbereichen an den Tragringen 4, 4 fixiert. Wie man sieht, liegen die
Endbereiche der Edelstahlhülse 7 auf der Mantelfläche der beiden Tragringe 4, 4 auf.
Die Fixierung kann mittels Laserschweißen geschehen. Die Schweißnaht 8 befindet sich in axialer Richtung so weit wie möglich am Ende der beiden Tragringe 4, 4. Hierdurch gelangt beim Schweißen nur eine geringe Wärmemenge in den Bereich der Permanentmagnete 6, und beeinträchtigt somit nicht deren magnetische Kraft. Das als Schweißverfahren ein Laserschweißverfahren verwendet wird, trägt ebenfalls hierzu bei. Statt des Laserschweißens oder zusätzlich hierzu können Edelstahlhülse 7 und die Tragringe 4, 4 auch miteinander verklebt werden. Auch ist ein Aufschrumpfen der Edelstahlhülse 7 denkbar. Auch können zwei oder drei dieser genannten Verfahren angewandt werden.
Zwischen der Edelstahlhülse 7 und den äußeren Mantelflächen der
Permanentmagnete 6 verbleibt ein Spaltraum von beispielsweise 2 mm. Auch kann der Spaltraum eine geringere Stärke aufweisen, beispielsweise bis zu 0,5, oder eine größere Stärke von beispielsweise bis zu 5 mm.
Sämtliche Freiräume zwischen Hülse, Magnetträger und Magneten sind mit einer Masse wie beispielsweise einem Harz-Härter-Gemisch ausgegossen.
Die Rotorblätter sind hier nicht gezeigt. Sie erstrecken sich radial nach innen zur Drehachse hin.
Rotor 1 ist vom Stator 2 umschlossen. Der Stator ist hier nicht dargestellt. Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen nabenlosen Propeller als Bestandteil eines Querstrahlantriebs. Dieser ist im Bug eines Schiffes eingebaut. Die Drehachse 1.3 des nabenlosen Propellers verläuft zugleich senkrecht zur Schiffs-Längsachse. Der Querstrahlantrieb sitzt in einem Strömungsleitgehäuse 10, das seinerseits in einem Tunnel angeordnet ist, siehe die Tunnelwand 11, die Bestandteil des Schiffes ist. Das Strömungsleitgehäuse 10 ist an seinen beiden Enden düsenartig ausgebildet. Siehe die beiden Düsen 10.1 und 10.2. Den Düsen 10.1 und 10.2 sind Stromführungsleisten 12 zugeordnet, die ein Gitter miteinander bilden.
Aus dieser Figur erkennt man auch die Rotorblätter 1.1. Zwischen deren freien Enden befindet sich ein Freiraum, durch den beim Betrieb Wasser
hindurchströmen kann. Das genaue Positionieren des Querstrahlantriebs relativ zum Schiff ist wichtig. Es kommt somit darauf an, das Strömungsleitgehäuse 10 relativ zum Tunnelkanal genau und richtig zu positionieren, und zwar sowohl in Richtung senkrecht zur Drehachse 1.3, als auch parallel hierzu. Zum Positionieren senkrecht zur Drehachse (in radialer Richtung) sind mehrere Positioniereinrichtungen 13 vorgesehen. Diese umfassen radial verschiebbare Stempel 13.1. Hiermit lässt sich das Strömungsleitgehäuse 10 in radialer Richtung genau und zuverlässig an der Tunnelwand 11 fixieren. Zum Positionieren und Fixieren in axialer Richtung sind Fixierschrauben 14 vorgesehen.
Ganz wichtig ist bei einem nabenlosen Propeller der hier beschriebenen Bauart eine zuverlässige und ausreichende Kühlung. Eine solche wird vor allem dadurch ermöglicht, dass sich zwischen dem Strömungsleitgehäuse 10 und der Tunnelwand 11 ein Ringraum befindet. Dieser ist beim Betrieb des Querstrahlantriebs von Wasser durchströmt, das als Kühlwasser dient. Der Strom des Kühlwassers verläuft in Gegenrichtung zum Strom, den der Querstrahlabtrieb erzeugt. Angenommen, die vom Propeller erzeugte Hauptströmungsrichtung verläuft in der Figur von links nach rechts, so fließt der Kühlwasserstrom in der Figur von rechts nach links. Er tritt im Bereich zwischen Statorgehäuse und Strömungsleitgehäuse in den genannten Ringraum ein. Sodann durchströmt er diesen, und verläuft hierbei zwischen der Tunnelwand 11 und dem Stator 2, genauer gesagt einem Statorgehäuse 2.1.
Darüber hinaus findet eine weitere Wasserströmung statt, und zwar zwischen Rotor 1 und Stator 2. Zwischen diesen beiden herrscht ein Spalt 15. Diese
Spaltströmung trägt ganz erheblich zur Kühlung des aus Rotor und Stator gebildeten Motors bei. Sie verläuft somit zusätzlich zu der oben genannten Strömung zwischen Tunnelwand 11 und Statorgehäuse 2.1.
Dabei tritt jedoch folgender Effekt auf: Das zwischen Rotor 1 und Stator 2 hindurchströmende Wasser führt eine Kreislaufströmung aus. Dieser Teilstrom verläuft somit nach dem Durchströmen des Ringspaltes zwischen Rotor 1 und Stator 2 radial nach innen. Sodann verläuft er parallel zur Ringströmung, aber in Gegenrichtung, schwenkt dann radial nach außen, und tritt wiederum in den Ringspalt zwischen Rotor 1 und Stator 2 ein. Durch den beschriebenen
Strömungsverlauf findet eine intensive Kühlung des Motors statt. Entscheidende Bauteile des Rotors sind seewassergeschützt. Dies gilt
insbesondere für die Permanentmagnete. Durch die Gestaltung des Raumes, in dem sich die Magnete befinden, werden deren Induktion und deren Magnetkraft nicht beeinträchtigt. Der gesamte Aufbau des Rotors ist höchst einfach und daher kostengünstig. Bezugszeichenliste
Rotor
Rotorblatt
Drehachse
Stator
Statorgehäuse
Rotorring
Tragring
Schweißnaht
Permanentmagnet
Edelstahlhülse
Strömungsleitgehäuse
Düse
Düse
Tunnelwand
Stromführungsleiste
Positioniereinrichtung
Stempel

Claims

Patentansprüche
1. Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale:
1.1 einen Rotor (1) mit einem Rotorring (3) aus Kohlenstoffstahl;
1.2 mehrere vom Rotorring (3) getragene Rotorblätter, die radial nach innen weisen;
1.3 mit einem Stator und einem Statorblechpaket;
1.4 mehrere von Rotorring (3) getragene Permanentmagnete (6);
1.5 der Propeller ist von einem zylindrischen Strömungsleitgehäuse (10)
umschlossen;
1.6 das Strömungsleitgehäuse (10) ist von einer zylindrischen Tunnelwand (11) umschlossen;
1.7 zwischen Strömungsleitgehäuse (10) und Tunnelwand (11) befindet sich ein Ringspalt, der Öffnungen zum Ein- und Austritt von Seewasser aufweist;
1.8 es sind radiale Positioniermittel zum radialen Positionieren und Fixieren des Strömungsleitgehäuses (10) relativ zur Tunnelwand (11) vorgesehen.
2. Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Positioniermittel (13) in radialer Richtung verfahrbare Stempel (13.1) umfassen, und dass das eine Ende eines Stempels (13.1) in einer Fassung an einer der Wände (10, 11) gelagert, und deren anderes Ende in einer Aufnahme an der anderen Wand (10, 11) aufgenommen ist.
3 Schiffsantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden axialen Enden des Strömungsleitgehäuses (10) nach außen zu Düsen (10.1, 10.2) erweitern.
4. Schiffsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden axialen Enden der Tunnelwand (11) ebenfalls nach außen zu Düsen (11.1, 11.2) erweitern und dabei Verlängerungen der Düsen (10.1, 10.2) des Strömungsleitgehäuses (10) bilden.
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