NL1029389C2 - Asloze schroef. - Google Patents

Description

».· ’

Asloze schroef

De uitvinding betreft een asloze schroef omvattende een stator met een cirkelvormige opening en een in die opening gelagerde rotor omvattende een ringvormig 5 rotorlichaam met een veelheid naar binnen uitstekende schroefbladen.

Een dergelijke schroef is bekend uit WO-A-03/082669. Deze bekende asloze schroef wordt gebruikt als voortstuwingsschroef en bezit bepaalde voordelen in vergelijking met conventionele voortstuwingsschroeven die zijn opgenomen op een as, zoals hieronder zal worden toegelicht.

10 Het rendement van een conventionele voortstuwingsschroef, met schroefbladen die vanaf een naaf radiaal naar buiten uitsteken, kan worden verbeterd door deze in een straalpijp te plaatsen, waarbij de uiteinden van de schroefbladen dicht langs de binnenwand van de straalpijp bewegen. Een nadeel van een dergelijke opstelling is dat bij de uiteinden van de schroefbladen cavitatie kan optreden door het drukverschil over de 15 spleet tussen de uiteinden van de schroefbladen en de binnenwand van de straalpijp. Door de cavitatie wordt het rendement van de schroef verminderd, daarnaast veroorzaakt cavitatie trillingen en lawaai. Een verder nadeel bij gebruik van een conventionele schroef is dat de centrale aandrijving bij de naaf, de stroming door de straalpijp belemmert. Nog een verder nadeel is dat een dusdanig opgestelde schroef vatbaar is voor 20 het verstrikt raken van materiaal zoals wier en dergelijke.

Voortstuwingsschroeven die dergelijke problemen ondervangen zijn bekend. Bij deze bekende schroeven steken de schroefbladen vanaf de binnenwand van een ringvormig rotorlichaam naar binnen. De binnenwand van het rotorlichaam vormt daarbij | tenminste een deel van de straalpijp, zodat er geen spleet is tussen de schroefbladen en 25 de straalpijp. Het rotorlichaam is aan de omtrek gelagerd in een cirkelvormige opening in een stator en wordt aan de omtrek aangedreven, zodat een naaf achterwege kan blijven. Nabij de hartlijn van de schroef kan de doorgang van de straalpijp onbelemmerd blijven, waardoor de schroef tevens minder vatbaar is voor het verstrikt raken van materiaal.

30 Bij voorkeur is de aandrijving van een dergelijke schroef elektrisch, waarbij aan de omtrek van de rotor permanente magneten zijn voorzien, en waarbij rondom de opening van de stator statorwindingen zijn voorzien voor het in samenwerking met de magneten aandrijven van de rotor. Een dergelijke aandrijving heeft als voordeel dat 1 02938 9 I » 2 weinig bewegende delen nodig zijn en dat deze relatief compact kan worden uitgevoerd.

Een dergelijke asloze elektrisch aangedreven voortstuwingsschroef, voor toepassing bij een onderwatervaartuig, is, zoals reeds genoemd, bekend uit WO 03/082669.

5 De lagering van de in dit octrooi beschreven schroef omvat een kunststof lageropper-vlak van de rotor, alsmede een met dit lageroppervlak samenwerkend, uit segmenten opgebouwd, kunststof lageroppervlak van de stator. De lagering is watergesmeerd, zodat lagerafdichtingen achterwege kunnen blijven. De schroef heeft een vermogen van ca. 7.5 kW en een piek stuwkracht van ca. 200 kgm 10 Een nadeel van de schroef is dat deze slechts geschikt is voor relatief geringe vermogens, doordat de toegepaste lagering slechts relatief geringe belastingen aan kan. Genoemde schroef is dan ook minder geschikt voor toepassing als boegschroef voor een schip.

Het is een doel van de uitvinding een asloze schroef te verschaffen die geschikt is 15 voor relatief hoge vermogens, bijvoorbeeld hoger dan 20 kW. In het bijzonder is het een doel van de uitvinding een asloze elektrisch aangedreven voortstuwingsschroef te verschaffen die kan worden toegepast als boegschroef voor een schip.

Dit doel is bereikt doordat de lagering tussen rotor en stator een kantelkussenla-ger omvat. Een dergelijk lager is geschikt voor relatief hoge belastingen, zoals die op-20 treden bij een vermogen van meer dan 20 kW.

Een dergelijk lager kan met omgevingswater worden gesmeerd zodat lagerafdichtingen achterwege kunnen blijven. Hierdoor wordt een relatief eenvoudige constructie verkregen. Bovendien kan het omgevingswater het lager en de motor koelen.

Bij voorkeur omvat het kantelkussenlager een veelheid kantelbaar met de stator 25 verbonden lagerkussens, alsmede een met die lagerkussens samenwerkend lageroppervlak van de rotor.

Bij voorkeur is het lageroppervlak van de lagerkussens relatief hard en is het lageroppervlak van de rotor relatief zacht. De lagerkussens kunnen daarbij bijvoorbeeld bestaan uit een metaal of metaallegering met een harde deklaag voor het vormen van 30 het lageroppervlak. Het lagerkussen kan daarbij bijvoorbeeld bestaan uit hard roestvast-staal of titanium en de deklaag kan bijvoorbeeld bestaan uit titaannitride of diamantachtig koolstof (DLC). Het lageroppervlak van de rotor kan bijvoorbeeld bestaan uit kunststof.

1 02938 9

f I

3

Een voordeel van deze uitvoeringsvorm is dat deze een goed opstartgedrag vertoont. Doordat het zachte oppervlak van de rotor zich aanpast aan het harde oppervlak van de lagerkussens, vormt zich al bij lage snelheden een smeerfilm. Dit goede opstartgedrag is met name bij toepassing bij een boegschroef van belang, aangezien een der-5 gelijke schroef in bedrijf vaak van draairichting wisselt. Bij hogere snelheden vormt de smeerfilm zich doordat het kantelen van de lagerkussens een drukopbouw in de lager-spleet veroorzaakt.

Bij voorkeur bestaat het lageroppervlak van de rotor bovendien uit een materiaal dat een lage wrijvingscoëfficiënt heeft met het lageroppervlak van de lagerkussens, 10 zoals bijvoorbeeld polyethyleen met hoge dichtheid. Een voordeel van een dergelijke uitvoeringsvorm is dat de glijdende wrijving tussen de lageroppervlakken bij zeer lage snelheid, wanneer zich nog geen smeerfilm heeft gevormd, wordt beperkt.

Een verder voordeel van de uitvoeringvorm waarbij het lageroppervlak van de lagerkussens relatief hard is en het lageroppervlak van de rotor relatief zacht is, is dat het 15 lager minder gevoelig is voor verontreinigingen. Wanneer het lager met omgevingswa-ter wordt gesmeerd kunnen deeltjes zoals zandkorrels die met het water worden meegevoerd in het lager terecht komen. Echter het zachte materiaal laat inbedding van deeltjes toe zodat dat het functioneren van het lager niet of nauwelijks wordt aangetast.

De rotor zal met name bij toepassing van de uitvinding als boegschroef vaak lan-20 ge tijd achtereen stilstaan. Bij stilstand rust het eigengewicht van de rotor op het aan de onderzijde gelegen deel van de lagering. Langdurige stationaire belasting van het kunststof lageroppervlak kan leiden tot kruip, hetgeen nadelige gevolgen heeft voor de opbouw van een smeerfilm. Daarom heeft het de voorkeur het kunststof lageroppervlak aan te brengen op de rotor, opdat bij stilstand niet steeds hetzelfde deel van het kunst-25 stof lageroppervlak worden belast, doordat de rotor niet steeds in dezelfde stand tot stilstand zal komen. Hierdoor wordt het effect van kruip verspreid over de omtrek van het lageroppervlak, waardoor het minder snel tot problemen zal leiden.

Bij voorkeur worden de lagerkussens gedragen door een draagelement van een verend materiaal, zoals rubber, een dergelijke uitvoeringsvorm verschaft een eenvoudi-30 ge methode voor het kantelbaar verbinden van de lagerkussens aan de stator.

De lagering volgens de uitvinding wordt bij voorkeur toegepast voor zowel de axiale als de radiale lagering van de rotor.

1 02938 9 r 4

De uitvinding is in het voorgaande beschreven aan de hand van een schroef die onderdeel uitmaakt van de voortstuwingsinstallatie van een vaartuig. De uitvinding heeft daarom ook betrekking op een schroef-motoreenheid, omvattende een dergelijke schroef, aan de omtrek voorziene permanente magneten, alsmede rondom de opening 5 van de stator voorziene statorwindingen voor het in samenwerking met de magneten aandrijven van de rotor.

Tot de uitvinding behoort daarnaast een schroef-generatoreenheid, omvattende een schroef zoals hiervoor beschreven, waarbij de rotor door een vloeistofstroom door de rotor aandrijfbaar is, rondom de opening van de stator voorziene statorwindingen, 10 alsmede aan de omtrek van de rotor voorziene permanente magneten voor het in de statorwindingen opwekken van een elektrische stroom wanneer de rotor wordt aangedreven.

Tenslotte betreft de uitvinding tevens een pomp, omvattende een pomphuis met een pompkamer alsmede een toevoer en een afvoer die zijn aangesloten op de pomp-15 kamer, waarbij zich in de pompkamer een schroef-motoreenheid bevindt zoals hiervoor beschreven, alsmede een generator, voorzien van een generatorhuis alsmede een toevoer en een afVoer die zijn aangesloten op het generatorhuis, waarbij zich in de het generatorhuis een schroef-generatoreenheid bevindt zoals hiervoor beschreven.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvorm ge-20 toond in de volgende figuren.

Figuur 1 is een gedeeltelijk opengewerkt aanzicht van een voortstuwingsschroef volgens de uitvinding.

Figuur lb is een aanzicht in axiale richting van de voortstuwingsschroef,

Figuur 2 is een deelaanzicht in dwarsdoorsnede van de voortstuwingsschroef, 25 waarbij de lagering zichtbaar is.

Figuur 3 is een perspectivisch aanzicht van de stator, waarbij de opstelling van de lagerkussens duidelijk zichtbaar is.

Figuur 4a en 4b zijn aanzichten in doorsnede van een lagerkussen van het radiaal lager.

30 Figuren 5a en 5b zijn aanzichten in doorsnede van een lagerkussen van het axiaal lager.

Figuren 1 en lb tonen een voortstuwingsschroef 1 volgens de uitvinding. De schroef 1 omvat een stator 2 met een cirkelvormige opening 3. In de opening is een 1 02938 9 5 rotor 4 gelagerd met een ringvormig rotorlichaam 16 en vanaf dat ringvormige lichaam naar binnen uitstekende schroefbladen 5. Bij voorkeur zijn de schroefbladen 5 losneembaar met het rotorlichaam 16 verbonden, zodat deze relatief eenvoudig zijn te verwisselen. Het ringvormige lichaam is voorzien van langs de omtrek opgestelde per-5 manente magneten 13 die samenwerken met rondom de opening van de stator 2 opgestelde statorwindingen 14 voor het aandrijven van de rotor 4.

Figuur 2 toont de rotor 4 en de stator 2 in doorsnede, waarbij de lagering duidelijk zichtbaar is. Het ringvormige pakket statorwindingen 14 is aangebracht in het sta-torhuis 17. Aan de naar de rotor 4 toegekeerde zijde van de statorwindingen 14 is het 10 statorhuis 17 afgesloten door middel van een ringvormige wand 18 van een materiaal dat het magnetische veld niet nadelig beïnvloed, zoals bijvoorbeeld een composiet materiaal. Het statorhuis 17 is verder afgesloten met een afneembaar ringvormig deksel 23 dat met bouten 20 aan het statorhuis 17 is bevestigd. Voordat het statorhuis 17 wordt afgesloten met het deksel 23 kan het worden volgegoten met een uithardbaar materiaal, 15 zoals epoxyhars, dat vervolgens wordt uitgehard. Dit geeft een zeer betrouwbare bescherming van de statorwindingen 14 tegen omgevingsinvloeden. Op gunstige wijze kan de in het statorhuis gestorte vloeibare epoxyhars worden uitgehard door de statorwindingen te bekrachtigen met een elektrische stroom. De warmteontwikkeling in de statorwindingen doet dan de hars uitharden. De rotor 4 is aan de omtrek voorzien van 20 permanente magneten 13 die zich tegenover de statorwindingen 14 bevinden en hermetisch zijn afgesloten van de omgeving.

De lagering omvat lagerkussens 11 voor het radiaal lageren van de rotor 4, en la-gerblokjes 12 voor het axiaal lageren van de rotor 4. Tegenover de lagerkussens bevindt zich het lageroppervlak 28a, 28b, 29a, 29b van de rotor. Dit lageroppervlak be-25 vindt zich op ringvormige lagerdelen 19a, 19b die aan weerszijden van de rotor gefixeerd zijn.

Deze lagerdelen 19a, 19b hebben een ringvormig deel 21a, 21b met een naar lagerkussens 11 toegekeerd lageroppervlak 28a, 28b voor het radiaal lageren van de rotor. Verder hebben lagerdelen 19a, 19b een zich vanaf het ringvormige deel 21a, 21b 30 uitstrekkende flens 22a, 22b met een naar de lagerkussens 12 toegekeerd lageroppervlak 29a, 29b voor het axiaal lageren van de rotor. De ruimte tussen de lagerkussens 11, 12 en het lageroppervlak van de rotor staat in open verbinding met de omgeving, zodat water kan toetreden tot die ruimte en het lager kan smeren.

1 0293 8 9

, I

6

De lagerdelen 19a en 19b kunnen zijn opgebouwd uit meerdere segmenten (niet zichtbaar in de figuren) bijvoorbeeld vier segmenten die zich uitstrekken over een cirkelboog van 45°. Door de lagerdelen te fabriceren in segmenten zijn deze eenvoudiger te fabriceren en te hanteren, dit is met name van belang bij relatief grote schroefdiame-5 ters, bijvoorbeeld groter dan 450mm.

In de in figuur 2 getoonde doorsnede zijn aan een zijde, de in de tekening linker zijde, van de stator 2 slechts de axiale lagerkussens 12 te zien, terwijl aan de andere zijde, de in de tekening rechter zijde, van de stator 2 slechts de radiale lagerkussens 11 zijn te zien. Beide soorten lagerkussens bevinden zich echter aan beide zijden van de 10 stator 2, zoals zichtbaar in figuur 3.

Figuur 3 toont de opstelling van de radiale en axiale lagerkussens 11, 12 aan een zijde van de stator 2. De lagerkussens zijn langs de omtrek kantelbaar aan de stator 2 bevestigd. De van het lageroppervlak afgekeerde zijde van de lagerkussens 11, 12 is daartoe voorzien van respectievelijke uitsteeksels 24, 25. Deze uitsteeksels 24, 25 zijn 15 zichtbaar in respectievelijk figuren 4a, 4b en figuren 5a, 5b.

Figuur 4a toont in doorsnede een kantelkussen 11 voor het radiale lager, gezien in een richting parallel aan de hartlijn van de rotor 4. Figuur 4b toont dit kantelkussen 11 in doorsnede langs de lijn A-Λ. Het kantelkussen bestaat uit een stalen lagerkussen 26 dat een gehard lageroppervlak 27 heeft met een kromtestraal die in hoofdzaak overeen-20 komt met de kromtestraal van het met dit lageroppervlak 27 samenwerkende lageroppervlak 28a, 28b van de rotor. Een strip 29 strekt zich in hoofdzaak loodrecht uit vanaf de tegenover het lageroppervlak 27 gelegen zijde van het lagerkussen 26. De strip is aan het lagerkussen 26 gefixeerd door deze bijvoorbeeld met een hechtmiddel in een groef in het lagerkussen te bevestigen. De strip 29 strekt zich verder in hoofdzaak pa-25 rallel aan de kantelas van het kantelkussen, in figuur 4a loodrecht op het vlak van tekening, over in hoofdzaak de volledige lengte van het lagerkussen uit. Aan de tegenover het lageroppervlak 27 gelegen zijde is het kantelkussen voorzien van een bekleding 32 van rubber met een hardheid van ongeveer 45° Shore. De bekleding 32 omgeeft eveneens strip 29. Het aldus gevormde uitsteeksel 24 heeft aan het op afstand van het lager-30 kussen 26 gelegen einde een in hoofdzaak cilindrische verdikking 30 met een hartlijn die in hoofdzaak parallel is aan de kantelas van het kantelkussen. Bij het bevestigen van het kantelkussen 11 aan de rotor 4 wordt deze cilindrische verdikking 30 in een bijbehorende boring 31 van de rotor 4 geschoven. Deze boring 31 heeft een in hoofdzaak 1 02938 9 7 parallel aan de hartlijn van de rotor 4 verlopende hartlijn en is open langs een nabij de statoropening 3 gelegen gedeelte van de omtrek voor het opnemen van het uitsteeksel 24.

Figuur 5a toont in doorsnede een kantelkussen 12 voor het axiale lager. Figuur 5b 5 toont dit kantelkussen 12 in doorsnede langs de lijn A-A. Het kantelkussen bestaat uit een stalen lagerkussen 33 dat een gehard vlak lageroppervlak 34 heeft. Een pen 35 strekt zich in hoofdzaak loodrecht uit vanaf de tegenover het lageroppervlak 34 gelegen zijde van het lagerkussen 33. De pen is aan het lagerkussen 33 gefixeerd door deze bijvoorbeeld met een hechtmiddel in een uitsparing in het lagerkussen te bevestigen. Aan 10 de tegenover het lageroppervlak 34 gelegen zijde is het kantelkussen voorzien van een bekleding 36 van rubber met een hardheid van ongeveer 45° Shore. De bekleding omgeeft eveneens pen 35. Het aldus gevormde uitsteeksel 25 wordt bij het bevestigen van het kantelkussen 12 in een boring 37 van de rotor 4 geschoven. Deze boring heeft een in hoofdzaak parallel aan de hartlijn van de rotor 4 verlopende hartlijn.

15 1029389

Claims (17)

1. Asloze schroef (1), welke schroef in samenwerking met een vloeistof kan worden gebracht, omvattende een stator (2) met een cirkelvormige opening (3) en een in die 5 opening gelagerde rotor (4) omvattende een ringvormig rotorlichaam (16) met een veelheid naar binnen uitstekende schroefbladen (5), met het kenmerk dat de lagering tussen rotor en stator een kantelkussenlager (6) omvat.

2. Schroef volgens conclusie 1, waarbij het kantelkussenlager (6) een veelheid kan-10 telbaar met de stator verbonden lagerkussens (11, 12) omvat, alsmede een met die la- gerkussens samenwerkend lageroppervlak (28a, 28b, 29a, 29b) van de rotor.

3. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het kantelkussenlager met omgevingswater wordt gesmeerd. 15

4. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het lageroppervlak (27, 34. van de lagerkussens (11, 12) relatief hard is, en waarbij het lageroppervlak (28a, 28b, 29a, 29b) van de rotor relatief zacht is.

5. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de wrijvingscoëfïiciënt tussen het lageroppervlak (27, 34) van de lagerkussens (11, 12) en het lageroppervlak (28a, 28b, 29a, 29b) van de rotor relatief laag is.

6. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de lagerkussens (11, 12) 25 bestaan uit een metaal of metaallegering, zoals hard roestvaststaal of titanium, en waarbij het lageroppervlak (27, 34) van die lagerkussens is gehard, bijvoorbeeld door middel van een deklaag van titaannitride of diamant-achtig koolstof.

7. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het lageroppervlak (28a, 30 28b, 29a, 29b) van de rotor bestaat uit een kunststof, zoals bijvoorbeeld polyethyleen met hoge dichtheid. 1 0293 8 9 ) ·

8. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de lagerkussens (11,12) worden gedragen door een draagelement (32, 36) van een verend materiaal, zoals rubber.

9. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de lagering een radiaal lager (11) omvat.

10. Schroef volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de lagering een axiaal lager (12) omvat. 10

11. Schroef-motoreenheid, omvattende een schroef volgens een der voorgaande conclusies, aan de omtrek van de rotor voorziene permanente magneten (13), alsmede rondom de opening van de stator voorziene statorwindingen (14) voor het in samenwerking met de magneten aandrijven van de rotor. 15

12. Schroef-motoreenheid volgens conclusie 11, waarbij de spleet (15) tussen de magneten en de statorwindingen relatief groot is, bijvoorbeeld groter dan 3mm.

13. Schroef-motoreenheid volgens conclusie 11 of 12, uitgevoerd als voortstuwings-20 schroef voor het voortstuwen van een vaartuig.

14. Schroef-motoreenheid volgens conclusie 11 of 12, uitgevoerd als pomp voor het verpompen van een vloeistof.

15. Schroef-generatoreenheid, omvattende een schroef volgens conclusie 1 t/m 10, waarbij de rotor (4) door een vloeistofstroom door de rotor aandrijfbaar is, rondom de opening van de stator voorziene statorwindingen (14) alsmede aan de omtrek van de rotor voorziene permanente magneten (13) voor het in de statorwindingen opwekken van een elektrische stroom, wanneer de rotor wordt aangedreven.

16. Pomp, omvattende een pomphuis met een pompkamer alsmede een toevoer en een afvoer die zijn aangesloten op de pompkamer, met het kenmerk, dat zich in de pompkamer een schroef-motoreenheid van conclusie 14 bevindt. 30 1 0293 8 9 J *

17. Generator, voorzien van een generatorhuis alsmede een toevoer en een afvoer die zijn aangesloten op het generatorhuis, met het kenmerk, dat zich in het generatorhuis een schroef-generatoreenheid van conclusie 15 bevindt. 1029389