WO2010100094A2 - Strömungsmaschine mit einem gehäuse mit erhöhter dichtheit - Google Patents

Abstract

Eine Strömungsmaschine mit einem Gehäuse (2), wenigstens einem Propeller (3) außerhalb des Gehäuses (2), einer Propellerwelle (4), die mit dem Propeller (3) gekoppelt ist, wobei die Propellerwelle (4) innerhalb des Gehäuses (2) gelagert ist und über eine Durchtrittsöffnung (5) aus dem Gehäuse (2) heraus geführt ist, einem Getriebe (6), das mit der Propellerwelle (4) gekoppelt ist, wobei das Getriebe (6) innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet ist und ein Getriebegehäuse (7) umfasst, und einer Wellendichtung (9), die die Durchtrittsöffnung (5) gegen einen Eintritt von Flüssigkeit in das Gehäuse (2) abdichtet, ist erfindungsgemäß das Getriebegehäuse (7) zumindest teilweise mit einer Getriebeflüssigkeit (8) gefüllt und die Wellendichtung (9) liegt an dem Getriebegehäuse (7) an oder ist in das Getriebegehäuse (7) integriert. Hierdurch können mechanische und thermische Belastungen der WeIlendichtung und somit die Gefahr von Undichtigkeiten reduziert werden.

Description

Beschreibung

Strömungsmaschine mit einem Gehäuse mit erhöhter Dichtheit

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; eine derartige Strömungsmaschine ist beispielsweise durch die EP 1 972 545 Al bekannt.

Die EP 1 972 545 Al offenbart eine Strömungsmaschine, die als Pod-Antrieb für ein Schiff dient. Die Strömungsmaschine um- fasst ein Unterwassergehäuse, das an dem Rumpf des Schiffes angeordnet ist, einen Propeller, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und eine Propellerwelle, auf der der Propeller sitzt. Die Propellerwelle ist in dem Gehäuse gelagert. Das Gehäuse weist eine Durchtrittsöffnung auf, über die die Propellerwelle aus dem Gehäuse heraus geführt ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein Getriebe in Form eines Planetengetriebes angeordnet, das mit der Propellerwelle gekoppelt ist und ein Getriebegehäuse aufweist. Eine Wellendichtung dichtet die Durchtrittsöffnung gegen einen Eintritt von Flüssigkeit in das Gehäuse ab. Das Getriebe ist dabei von der Wellendichtung beabstandet .

Der Antrieb der Propellerwelle bzw. des Propellers über das Getriebe erfolgt durch eine Antriebsmotoreneinrichtung, die beispielsweise einen elektrischen Motor enthält. Dieser elektrische Motor kann im Inneren des Gehäuses oder außerhalb des Gehäuses im Schiffsrumpf angeordnet sein. Bei einer Anordnung im Schiffsrumpf erfolgt der Antrieb der Propellerwel- Ie bzw. des Propellers über eine Vertikalwelle, die von dem Schiffsrumpf in das Gehäuse geführt ist, und einem zwischen dem Getriebe und der Vertikalwelle angeordneten Tellerrad-Kegelrad-Getriebe .

Mit der vorstehend beschriebenen Lösung ist bereits ein hoher Grad an Dichtheit der Strömungsmaschine gegeben. Beim Betrieb der Strömungsmaschine liegt jedoch an der Wellendichtung eine relativ hohe Druckdifferenz zwischen der sich außerhalb der Strömungsmaschine befindlichen Flüssigkeit (z.B. Meerwasser) und dem üblicherweise mit Luft gefüllten Innenraum an. Außerdem erwärmt sich die Dichtung aufgrund von Reibung an der sich drehenden Welle. Dies führt zu hohen mechanischen und thermischen Belastungen der Wellendichtung, die im Extremfall zu einer Undichtigkeit der Dichtung und somit zu einem Eintritt von Flüssigkeit in das Gehäuse führen können.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, bei einer Strömungsmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Dichtheit noch weiter zu verbessern. Außerdem ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, besonders vorteilhafte Verwendungen einer derartigen Strömungsmaschine anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Strömungsmaschine gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10. Besonders vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind Gegenstand der Patentansprüche 11 bis 13.

Erfindungsgemäß ist das Getriebegehäuse zumindest teilweise mit einer Getriebeflüssigkeit gefüllt und die Wellendichtung liegt an dem Getriebegehäuse an oder ist in das Getriebegehäuse integriert. Über den hierdurch entstehenden direkten thermischen Kontakt zwischen der Dichtung und der Getriebeflüssigkeit kann besonders leicht Wärme von der Dichtung an die Getriebeflüssigkeit übertragen werden. Die Wärme der Dichtung kann somit besser abgeführt werden als mit der im Inneren des Gehäuses befindlichen Luft, wenn das Getriebe von der Wellendichtung beabstandet ist. Hierdurch kann die thermische Belastung der Dichtung verbessert und die Gefahr von Undichtigkeiten verringert werden.

Zusätzlich wird die an der Wellendichtung anliegende Druck- differenz und somit die mechanische Belastung der Dichtung reduziert, wodurch ebenfalls die Gefahr von Undichtigkeiten der Dichtung verringert wird. Bei einer Anordnung der elektrischen Maschine innerhalb des Gehäuses der Strömungsmaschine wird weiterhin sichergestellt, dass bei einer schadhaften Wellendichtung eine von außen in das Gehäuse eindringende Flüssigkeit, z.B. Meerwasser, nicht direkt auf die elektrische Maschine, sondern zuerst auf das Getriebe trifft. Hierdurch kann die elektrische Maschine besser gegen eine eindringende Flüssigkeit geschützt werden.

Nicht zuletzt kann durch die Erfindung die Ausdehnung der Strömungsmaschine in Richtung der Propellerwelle verkleinert werden, was in einigen Anwendungsfällen zu einer hydrodynamisch besseren Form der Strömungsmaschine führen kann.

Das Getriebe kann als ein ein- oder mehrstufiges Getriebe ausgebildet sein. Weiterhin kann das Getriebe als ein mechanisches Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe ausgebildet sein, wobei es sich bei der Getriebeflüssigkeit dann um ein Schmiermittel handeln kann. Das Getriebe kann auch als ein hydraulisches Getriebe, insbesondere als ein hydrodynami- sches Getriebe ausgebildet sein, wobei es sich bei der Getriebeflüssigkeit dann um die Betriebsflüssigkeit des Getriebes handeln kann.

Das Getriebe kann mit einer weiteren Maschine, wie z.B. einer elektrischen Maschine oder einer Verbrennungskraftmaschine, gekoppelt sein.

Bevorzugt ist das Getriebe mit einer elektrischen Maschine gekoppelt, die ebenfalls innerhalb des Gehäuses der Strö- mungsmaschine angeordnet ist.

Bei Kopplung mit einer elektrischen Maschine ist eine hydrodynamisch besonders vorteilhafte Form des Gehäuses dadurch möglich, dass das Getriebe derart ausgebildet ist, dass beim Betrieb der Strömungsmaschine die Drehzahl der elektrischen

Maschine größer ist als die Drehzahl der Propellerwelle (z.B. 4 bis 5faches der Propellerdrehzahl) . Als elektrische Maschine kann dann eine schnell laufende Maschine eingesetzt wer- den, die kleinere Abmessungen als eine mit der Propellerdrehzahl laufende Maschine hat. Dies gilt insbesondere bei einer Verwendung der Strömungsmaschine als eine Antriebseinrichtung für eine schwimmende oder tauchende Einrichtung.

Die elektrische Maschine kann dabei als ein elektrischer Motor ausgebildet sein, der den Propeller antreibt. Als elektrische Motoren sind unterschiedlichste Elektromotoren wie z.B. Asynchron oder Synchronmotoren möglich, die durch Perma- nentmagnete oder ein Wicklungssystem erregt sein können, wobei diese auch in HTS (Hochtemperatur-Supraleiter) -Technik ausgeführt sein können.

Die elektrische Maschine kann aber auch als ein Generator ausgebildet sein, der von dem Propeller angetrieben wird.

In einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung bildet zumindest ein Teil des Getriebegehäuses selbst bereits einen Teil des Gehäuses der Strömungsmaschine. Hierdurch können das Gewicht und die Abmessung der Strömungsmaschine verringert werden .

Bei Verwendung eines im Inneren des Gehäuses angeordneten Elektromotors umfasst dieser zu seinem Schutz bevorzugt ein Motorgehäuse.

Zur weiteren Reduzierung des Gewichts und der Abmessungen der Strömungsmaschine kann zumindest ein Teil des Motorgehäuses einen Teil des Gehäuses der Strömungsmaschine bilden.

Wenn das Motorgehäuse an dem Getriebegehäuse anliegt, kann der Motor besonders gut gegen in das Gehäuse eindringende Flüssigkeit geschützt werden.

Von besonderem Vorteil erfolgt eine Kühlung der elektrischen Maschine durch eine Wärmeübertragung durch das Gehäuse der Strömungsmaschine hindurch an eine Flüssigkeit außerhalb des Gehäuses . Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine kann auf ihrer dem Propeller abgewandten Seite eine weitere vorstehend geschilderte erfindungsgemäße Anordnung eines Propellers, einer Propellerwelle, einer Wellendichtung und eines Getriebes aufwei- sen, wobei die Propellerwelle bzw. der Propeller mit der gleichen elektrischen Maschine oder mit einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sein können. Die beiden Propeller können dabei in gleicher Richtung rotieren oder auch kontrarotieren, wobei die Drehgeschwindigkeiten gleich oder auch unterschiedlich sein können. Bei einer derartigen Anordnung mit zwei Getrieben und zwei Propellern verteilen sich bei gleichbleibender Antriebsleistung die mechanischen Belastungen auf zwei Getriebe, so dass diese kleiner ausgelegt werden können .

Wenn das Gehäuse der Strömungsmaschine zumindest zum Teil durch das Getriebegehäuse und das Motorgehäuse gebildet wird, kann die Strömungsmaschine vorteilhaft modular aus zumindest einem oder zwei Propellermodulen, einem oder zwei Getriebemo- dulen und einem oder zwei Motormodulen aufgebaut sein. Die Module können dabei durch ein modulares Baukastensystem bereitgestellt werden, das Getriebemodule, Motormodule und Propellermodule unterschiedlicher Leistungsklassen und - Charakteristiken, Untersetzungsverhältnissen, Drehgeschwin- digkeiten, Drehrichtungen, etc. umfasst.

Eine Strömungsmaschine kann dann beispielsweise je nach Bedarf aus folgenden Modulen zusammengesetzt werden, die in der angegebenen Reihenfolge aneinander gereiht werden: - einem Motormodul, einem Getriebemodul und einem Zugpropellermodul,

- einem Druckpropellermodul, einem Getriebemodul und einem Motormodul,

- einem Druckpropellermodul, einem ersten Getriebemodul, ei- nem Motormodul, einem zweiten Getriebemodul und einem Zugpropellermodul, wobei der Motor des Motormoduls beide Getriebe bzw. beide Propeller antreibt, - einem Druckpropellermodul, einem ersten Getriebemodul, einem ersten Motormodul, einem zweiten Motormodul, einem zweiten Getriebemodul und einem Zugpropellermodul, wobei der Motor des ersten Motormoduls das Getriebe des ersten Getriebemoduls bzw. den Druckpropeller und der Motor des zweiten Motormoduls das Getriebe des zweiten Getriebemoduls bzw. den Zugpropeller antreibt.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine liegt in einer Antriebseinrichtung für eine schwimmende oder tauchende Einrichtung, wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Plattform, wobei die Strömungsmaschine, vorzugsweise horizontal und/oder vertikal drehbar, an einem Rumpf der schwimmenden oder tauchenden Einrichtung befestigt ist.

Weiterhin kann die Strömungsmaschine vorteilhaft als eine Pumpe, ein Ventilator oder ein Verdichter verwendet werden.

Außerdem kann die Strömungsmaschine als eine Turbine verwendet werden, insbesondere zur Stromerzeugung bei einer schwimmenden oder tauchenden Einrichtung, in einem Strömungs- oder Gezeitenkraftwerk oder in einer Windkraftanlage.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; dabei zeigt:

FIG 1 eine Strömungsmaschine mit einer in ein Getriebegehäuse integrierten Wellendichtung

FIG 2 die Strömungsmaschine von FIG 1 mit einer Vertikalwelle (L-Ausführung) ,

FIG 3 die Strömungsmaschine von FIG 1 mit einer an ein Getriebegehäuse anliegenden Wellendichtung. FIG 1 zeigt in vereinfachter und schematischer Darstellung einen teilweisen Längsschnitt durch eine Strömungsmaschine 1, die als Antriebseinrichtung für eine schwimmende oder tauchende Einrichtung wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore- Plattform dient und hierzu um eine Achse A drehbar am Rumpf 10 der schwimmenden Einrichtung befestigt ist. Eine derartige Antriebseinrichtung wird häufig auch als Ruderpropeller oder als Pod-Antrieb bezeichnet und hat üblicherweise eine Antriebsleistung von 0.5 - 10 MW.

Die Strömungsmaschine 1 umfasst ein hydrodynamisch optimiert gestaltetes Unterwassergehäuse 2, das an dem Rumpf 10 des Schiffes angeordnet ist, einen Propeller 3, der außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist, und eine Propellerwelle 4, auf der der Propeller 3 sitzt. Die Propellerwelle 4 ist dabei mittels Lager 12 innerhalb des Gehäuses 2 drehbar gelagert und über eine Durchtrittsöffnung 5 aus dem Gehäuse 2 herausgeführt.

Ein Planetengetriebe 6 ist mit der Propellerwelle 4 gekoppelt und umfasst ein Getriebegehäuse 7, das mit einer Getriebeflüssigkeit 8 in Form von Öl oder einem anderen Schmiermittel gefüllt ist. Das Getriebegehäuse 7 bildet mit seiner Umfangs- fläche einen Teil der Umfangsflache des Gehäuses 2 der Strömungsmaschine. Sowohl die Durchtrittsöffnung 5 als auch die Wellendichtung 9 sind somit integraler Bestandteil des Getriebegehäuses 7.

An der Durchtrittsöffnung 5 für die sich drehende Propellerwelle 4 durch das Gehäuse 2 dichtet eine Wellendichtung 9 die Durchtrittsöffnung 5 gegenüber einem Eintritt von Flüssigkeit von außerhalb des Gehäuses 2 in einen Innenraum des Gehäuses 2 ab.

Durch den direkten thermischen Kontakt zwischen der Dichtung 9 und der Getriebeflüssigkeit 8 kann besonders leicht Wärme von der Dichtung 9 an die Getriebeflüssigkeit 8 übertragen werden, wodurch die thermische Belastung der Dichtung und somit die Gefahr von Beschädigungen verringert wird. Zwischen dem Meerwasser, das das Gehäuse 2 der Strömungsmaschine 1 umströmt, und der Getriebeflüssigkeit 8 besteht nur eine geringe Druckdifferenz, wodurch die mechanische Belastung der Dichtung 9 und somit ebenfalls die Gefahr von Be- Schädigungen der Dichtung 9 verringert werden.

Innerhalb des Gehäuses 2 befindet sich eine elektrische Maschine in Form eines elektrischen Motors 11 zum Antrieb des Propellers 3, wobei der elektrische Motor 6 mittels des Ge- triebes 6 mit der Propellerwelle 4 bzw. mit dem Propeller 3 gekoppelt ist.

Der elektrische Motor 11 umfasst ein Motorgehäuse 13, wobei die Umfangsflache dieses Gehäuses 13 einen Teil der Umfangs- fläche das Gehäuse 2 der Strömungsmaschine 1 bildet.

Das Getriebegehäuse 7 liegt dabei an dem Motorgehäuse 13 an, so dass der elektrische Motor 11 gut gegen eine durch die Durchtrittsöffnung 5 in das innere des Gehäuses 2 eintretende Flüssigkeit geschützt ist.

Der elektrische Motor 11 ist als eine schnell laufende Maschine ausgebildet, wobei das Planetengetriebe 6 derart ausgebildet ist, dass beim Betrieb der Strömungsmaschine 1 die Drehzahl der elektrischen Maschine 11 größer ist als die

Drehzahl der Propellerwelle 4 (z.B. 4 bis 5faches der Propellerdrehzahl) .

Von besonderem Vorteil erfolgt eine Kühlung des elektrischen Motors 11 zumindest zum größten Teil durch eine Wärmeübertragung durch das Gehäuse 2 der Strömungsmaschine 1 hindurch an das Meerwasser außerhalb der Strömungsmaschine 1.

Bevorzugt sind der elektrische Motor 11 und das Getriebe 6 gekapselt und damit besonders gut gegen Einflüsse von außen geschützt . FIG 2 zeigt die Strömungsmaschine 1 von FIG 1, wobei sich jedoch kein elektrischer Motor im Inneren des Gehäuses 2 befindet. Statt dessen ist die Propellerwelle 3 über das Getriebe 6 mit einer Vertikalwelle 21 (L-Anordnung) gekoppelt, die mit einem nicht näher gezeigten elektrischen Motor gekoppelt ist, der im Inneren des Schiffsrumpfes 10 angeordnet ist. Dabei ist zur Kraftübertragung zwischen der Propellerwelle 4 und der Vertikalwelle 21 in dem Antriebsstrang zwischen dem Planetengetriebe 6 und der Vertikalwelle 21 ein Tellerrad- Kegelrad-Getriebe 22 angeordnet.

FIG 3 zeigt die Strömungsmaschine 1 von FIG 1 mit einer in das Gehäuse 2 integrierten und an dem Getriebegehäuse 7 anliegenden Wellendichtung 9 statt mit einer in das Getriebege- häuse 7 integrierten Wellendichtung. Auch bei einer derartigen Ausgestaltung kann besonders leicht Wärme von der Dichtung 9 an die Getriebeflüssigkeit 8 übertragen sowie eine nur verhältnismäßig geringe Druckdifferenz an der Dichtung ermöglicht werden, wodurch die im Zusammenhang mit FIG 1 erläuter- ten Vorteile erzielt werden. Das Getriebegehäuse 7 besteht hierbei bevorzugt aus einem besonders wärmeleitfähigen Material .

Die Strömungsmaschinen 1 der FIG 1 - 3 können auf ihrer dem Propeller 3 abgewandten Seite jeweils eine weitere vorstehend geschilderte erfindungsgemäße Anordnung eines Propellers, einer Propellerwelle, einer Wellendichtung und eines Getriebes aufweisen, wobei die Propellerwelle bzw. der Propeller mit der gleichen elektrischen Maschine 11 oder mit einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sein können. Die beiden Propeller können dabei in gleicher Richtung rotieren oder auch kontrarotieren, wobei die Drehgeschwindigkeiten gleich oder auch unterschiedlich sein können.

Die Strömungsmaschinen 1 der FIG 1 - 3 sind modular aus einem Druckpropellermodul 23, einem Getriebemodul 24, einem Motormodul 25 und einem Endkappenmodul 26 aufgebaut. Die Module 23 - 26 sind dabei Bestandteile eines modularen Baukastensys- tems, das Getriebemodule, Motormodule und Propellermodule unterschiedlicher Leistungsklassen und -Charakteristiken, Untersetzungsverhältnissen, Drehgeschwindigkeiten, Drehrichtungen, etc. umfasst.

Claims

Patentansprüche

1. Strömungsmaschine (1) mit

- einem Gehäuse (2), - wenigstens einem Propeller (3) außerhalb des Gehäuses (2),

- einer Propellerwelle (4), die mit dem Propeller (3) gekoppelt ist, wobei die Propellerwelle (4) innerhalb des Gehäuses (2) gelagert ist und über eine Durchtrittsöffnung (5) aus dem Gehäuse (2) heraus geführt ist, - einem Getriebe (6), das mit der Propellerwelle (4) gekoppelt ist, wobei das Getriebe (6) innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet ist und ein Getriebegehäuse (7) umfasst,

- eine Wellendichtung (9), die die Durchtrittsöffnung (5) gegen einen Eintritt von Flüssigkeit in das Gehäuse (2) ab- dichtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebegehäuse (7) zumindest teilweise mit einer Getriebeflüssigkeit (8) gefüllt ist und dass die Wellendichtung (9) an dem Getriebegehäuse (7) anliegt oder in das Getriebegehäuse (7) integriert ist.

2. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) als ein Planetengetriebe ausgebildet ist.

3. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) mit einer elektrischen Maschine (11) gekoppelt ist.

4. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (11) innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet ist.

5. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) derart ausge- bildet ist, dass beim Betrieb der Strömungsmaschine (1) die Drehzahl der elektrischen Maschine (11) größer ist als die Drehzahl der Propellerwelle (4) .

6. Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Getriebegehäuses (7) einen Teil des Gehäuses (2) der Strömungsmaschine (1) bildet.

7. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (11) ein Maschinengehäuse (13) umfasst, wobei zumindest ein Teil des Maschinengehäuses (13) einen Teil des Gehäuses (2) der Strömungsmaschine (1) bildet.

8. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (13) an dem Getriebegehäuse (7) anliegt.

9. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung der elektrischen Maschine (11) durch eine Wärmeübertragung durch das Gehäuse (2) der Strömungsmaschine (1) hindurch an die Umgebung außerhalb der Strömungsmaschine (1) erfolgt.

10. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau aus zumindest einem oder zwei Propellermodulen (23), einem oder zwei Getriebemodulen (24) und einem oder zwei Motormodulen (25) .

11. Verwendung der Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als eine Antriebseinrichtung für eine schwimmende oder tauchende Einrichtung, wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Plattform, wobei die Strömungsmaschine, vorzugsweise horizontal und/oder vertikal drehbar, an einem Rumpf (10) der schwimmenden oder tauchenden Einrichtung befestigt ist.

12. Verwendung der Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als eine Pumpe, ein Ventilator oder ein Verdichter .

13. Verwendung der Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als eine Turbine, insbesondere zur Stromerzeugung bei einer schwimmenden oder tauchenden Einrichtung, in einem Strömungs- oder Gezeitenkraftwerk oder in einer Windkraftanlage.