WO2011029550A1 - Mechanically driven, hubless, high-efficiency ship propulsor - Google Patents

Mechanically driven, hubless, high-efficiency ship propulsor Download PDF

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Moustafa Abdel-Maksoud
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Technische Universität Hamburg-Harburg
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Definitions

  • the invention relates to a mechanically driven hubless Schiffspropulsor with high efficiency.
  • Propulsion devices for ships are known in various designs, e.g. in the form of ship propellers.
  • the conventional fixed propellers have the disadvantage that they require a hub in the middle, to which the propeller blades are attached.
  • the hubs of so-called.
  • Adjustable pitchers i. that is, propellers whose propeller blades can be changed during operation in terms of their angular position (pitch angle).
  • the known propellers propose mainly in two-screw brackets and drive shafts that generate vortex and thus resistance that must be kept as small as possible. Achieving good propulsion efficiency is a long-established task.
  • CONFIRMATION COPY to reach over 75%, as the influences of peak aviation on the rotating propeller blades must also be taken into account.
  • An example shows the essay from the magazine “marinelog”, published in
  • a further significant improvement in the efficiency results when the wings are designed adjustable in angle in the propulsor and for them a constant adjustment of the angular position is made to the local flow conditions in Propulsor.
  • the adjustment of the angular position (slope) to the local flow conditions is carried out separately for each individual wing as a function of the vane position in the circumferential direction. That is, during one revolution, the sash position is constantly changing. This is done with the help of guide slides and guide rails whose shape depends on the downstream field of the ship.
  • This new and inventive design of the efficiency of the propulsor can be significantly increased again, since the different flow conditions of the water can be considered in the propulsor.
  • the acceleration of the water in the propulsor can thus be optimized regardless of the inflow conditions. This has a positive effect on the generated thrust. Likewise, it has a positive effect if the inclination of the propulsor is adjusted to the flow direction of the water flowing around the ship.
  • the adjustment of the angular position of the wings to the local flow conditions mechanically, in particular by guide rails, slide rails and guide slide takes place.
  • guide slides and guide rails results in a robust and reliable mechanical solution for the angular position, wherein z.
  • the shape of the guide rails depends on the downstream field of the ship and is designed according to the local flow conditions in order to achieve a high efficiency of the propulsor and low cavitation.
  • a high operational reliability is also obtained when the angular position of each wing is performed by eccentric drives. These are particularly robust and proven in many machine types, e.g. for presses with lifting height adjustment.
  • Electric servomotors in particular in the embodiment as a permanently excited ring motors, also have a high operational reliability and have the advantage that their pivoting speed can be adjusted regulated as a function of the angular position.
  • the adjustment range of the wings is designed to switch from forward to reverse thrust.
  • a rotor is advantageously chosen, which has an outer ring gear and wherein the number of teeth of the outer ring gear and the pinion is selected such that no transmission between Propulsor and ship's engine is necessary. Also by this measure, the Efficiency of the drive can be increased significantly, so that there is a previously unattained high efficiency of the marine propulsion.
  • the propulsor is designed as a double propulsor, so that two propulsors are provided lying side by side. This results in a very advantageous improvement of the discharge behavior of the ship, since the flow to the
  • the inclination of the drive shaft can be adapted to the direction of the inflow. This results in a lowering of the machine, which shifts the center of mass of the ship down, which has an advantageous effect on the stability of the ship.
  • the propulsor has two counter-rotating rotors lying one behind the other in the flow direction of the water. This results in a very advantageous manner that the jet of water emerging from the propulsor no longer has any rotation, and that therefore also the rotational energy of the water jet is used for the propulsion.
  • the second rotor which is located in the beam of the front rotor, and instead a non-rotating vane ring (stator) is used. Its wings allow a general adaptation of the angular position to changes in the flow, eg by changing the direction of thrust or bottom effects in shallow water.
  • the nozzle is at least partially integrated into the ship's bottom and that the drive shaft is at least partially disposed in the double bottom of the ship. This results in a particularly low-resistance training of the underside of the ship in the rear area, which contributes to a further improvement in the efficiency of the system ship - marine propulsion.
  • the control device advantageously has a non-volatile memory, enter into the comparison conditions, in particular the trim position and the loading state, and the content of which can be based on the operation of the ship in relation to the Propulsor.
  • Figure 1 is a schematic example of a rear-end configuration
  • Figure 2 shows the power transmission to the rotors in side view
  • Figure 3 shows the connection of the wings to the rotors, also in side view
  • Figure 5 shows the control of the thrust direction in supervision
  • FIG. 1 which shows a particularly aerodynamic rear-end configuration
  • 21 denotes the ship's bottom and 20 the outer ring gear of a rotor.
  • 10 denotes the blades of the rotors and 8 the nozzle in which the respective rotors run.
  • a keel extension can extend downwards, the so-called deadwood.
  • cleaning devices for the pinion and the external cogs such as high-pressure cleaning nozzles, which can be used in particular for a longer harbor time lying to clean the pinion and sprockets.
  • Fig. 2 which shows details of the power transmission line to the rotors
  • 1 denotes the drive shaft for the two rotors with a pinion 2 for transmitting power to the first rotor and 3 a gear for changing the direction of rotation.
  • 4 denotes the first rotor and 5 the second rotor.
  • 6 designates the pinion for transmitting the power for the second rotor and 8 the nozzle in which the rotors run.
  • 7 denotes the bearings for the rotors, wherein the direction of rotation of the rotors is indicated at 17 and 18.
  • 20 designates the sprocket for the rear rotor, while 19 designates the sprocket for the front rotor.
  • the sprocket for the rear rotor can be omitted if no contrasting configuration is selected, but a stator is used.
  • the design of the guide rails depends on the Electric field of the ship from.
  • the direction of rotation of the rotors is indicated at 17, 18, wherein the direction of rotation of the rear rotor can be omitted, if no contrarotating configuration, but a stator is used.
  • 19 denotes a toothed rim for the front rotor and 20 a sprocket for the rear rotor. Of course, this can be omitted if no contrarotating configuration is used.
  • Figure 4 shows the control of the angle of attack of the individual wings in front view and on an enlarged scale.
  • the vane 10 rotates in the bearing 7, driven by the gear 12 with respect to its rotation.
  • Figure 5 shows details of the control of the wings.
  • IIb denotes the guide slides that move back and forth on slide rails IIa.
  • 4/5 designate the first rotor and the second rotor, respectively.
  • 13 and 15 are the guide rails for controlling the angle of attack of the wings, as already mentioned.
  • 16 denotes the rollers for fixing the guide slide to the guide rail.
  • FIG 5 shows, there are two guide sliding ⁇ nensysteme 13 and 15, 14 are moved away from one another with the aid of the actuator to each other in the axial direction or.
  • the thrust direction is infinitely controllable, ie the drive can change the direction of the thrust from forward to reverse, without changing the direction of rotation of the drive shaft.
  • the operating point of the respective rotor can be adapted to the optimum operating point of the main engine.
  • the drive is understandably more complicated than a propeller drive with fixed propellers, but the mechanics of the drives according to the invention is just as manageable, as that of Voith Schneider drives.
  • the efficiency is, however, compared to Voith Schneider drives significantly higher and in the version with two propulsors side by side, the preferred embodiment, there is also a good directional stability of the ship, with support for a rotational movement by the different thrust setting of the two propulsors is possible.

Abstract

The invention relates to a mechanically driven, hubless, high-efficiency ship propulsor comprising at least one rotor having blades (10) in a ring, wherein the rotor fitted with a gear rim is joined to the engine of a ship via a shaft (1) having pinions (2) for transferring a torque, and wherein the rotor is arranged in an orifice (8) and wherein rotating blades (10) of the rotor are constructed to be individually adjustable in angle and upon each rotation allow a continuous adaptation of the angular position thereof to the local flow conditions, in particular to the inflow conditions in the orifice (8).

Description

„Mechanisch angetriebener nabenloser Schiffpropulsor mit hohem Wirkungsgrad" "Mechanically powered hubless ship propulsor with high efficiency"
Die Erfindung betrifft einen mechanisch angetriebenen nabenlosen Schiffspropulsor mit hohem Wirkungsgrad. The invention relates to a mechanically driven hubless Schiffspropulsor with high efficiency.
Vortriebsorgane für Schiffe sind in vielfältiger Ausgestaltung bekannt, z.B. in Form von Schiffspropellern. Die herkömmlichen Festpropeller haben den Nachteil, dass sie in der Mitte eine Nabe erfordern, an welcher die Propellerblätter angebracht sind. Besonders groß sind die Naben von sog. Verstellpropellern, d.h. also von Propellern, deren Propellerflügel während des Betriebs in Bezug auf ihre Winkelstellung (Steigungswinkel) verändert werden können. Des Weiteren erfordern die bekannten Schiffspropeller vorwiegend bei Zweischraubern Lagerböcke und Antriebswellen, die Wirbel und damit Widerstand erzeugen, der so klein wie möglich gehalten werden muss. Einen guten Propulsionswirkungsgrad zu erreichen, ist eine seit jeher bestehende Aufgabe. Es ist bisher aber nicht gelungen, einen Wirkungsgrad des Systems Propeller - Schiff ü- Propulsion devices for ships are known in various designs, e.g. in the form of ship propellers. The conventional fixed propellers have the disadvantage that they require a hub in the middle, to which the propeller blades are attached. The hubs of so-called. Adjustable pitchers, i. that is, propellers whose propeller blades can be changed during operation in terms of their angular position (pitch angle). Furthermore, the known propellers propose mainly in two-screw brackets and drive shafts that generate vortex and thus resistance that must be kept as small as possible. Achieving good propulsion efficiency is a long-established task. However, it has not yet been possible, an efficiency of the system propeller - ship ü
BESTÄTIGUNGSKOPIE ber 75 % zu erreichen, da auch die Einflüsse der Spitzenwir- beikavitation bei den umlaufenden Propellerblättern berücksichtigt werden müssen. CONFIRMATION COPY to reach over 75%, as the influences of peak aviation on the rotating propeller blades must also be taken into account.
Neben den genannten Propellern mit ihren Nachteilen sind auch sog. Rim-Drive-Thruster bekannt geworden. Hier handelt es sich um Außenläufer, deren Flügel von einem außen angetriebenen Ring nach innen weisen. Die modernen Rim-Drives sind im allgemeinen elektrisch angetrieben und weisen einen elektrischen Ringmotor auf. Hierdurch ergibt sich eine sehr kompakte Bauform, die es insbesondere ermöglicht, derartige Einrichtungen als Bugstrahlruder vorzusehen. Die bekannten elektrischen Rim-Drives sind auf den ersten Blick bestechend, weisen aber einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf, da die Einzelwirkungsgrade der Erzeugung von Elektroenergie und ihre Umwandlung in Drehenergie einen schlechten Gesamtwirkungsgrad ergeben . In addition to the aforementioned propellers with their disadvantages, so-called. Rim Drive Thruster have become known. These are external rotor blades whose wings point inwards from an externally driven ring. The modern rim drives are generally electrically driven and have an electric ring motor. This results in a very compact design, which makes it possible in particular to provide such facilities as a bow thruster. The known electric rim drives are at first glance impressive, but have a relatively poor efficiency, since the individual efficiencies of the generation of electrical energy and its conversion into rotational energy give a poor overall efficiency.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Propulsor anzugeben, der einen wesentlich besseren Wirkungsgrad aufweist als die vielfältig verwendeten elektrischen Rim-Drives mit ihren nicht verstellbaren Flügeln. Ein Beispiel zeigt der Aufsatz aus der Zeitschrift „marinelog", veröffentlicht in It is an object of the invention to provide a propulsor, which has a much better efficiency than the widely used electric rim drives with their non-adjustable wings. An example shows the essay from the magazine "marinelog", published in
http: //www. marinelog. com, der eine Ausführung der Firma Rolls Royce zeigt. http: // www. marinelog. com, which shows an execution of the company Rolls Royce.
Durch die Verwendung eines Rim-Drives wäre bereits eine Verringerung des Heckwiderstandes eines Schiffes durch Wegfall der Schiffsanhänge erreichbar. Der schlechte Wirkungsgrad ei¬ ner Maschine, die eine Umwandlung von Drehenergie in elektrische Energie und zurück in Drehenergie erfordert, ist jedoch immer vorhanden. Im Rahmen der Erfindung wird daher vorge- schlagen, dass für den Schiffspropulsor ein mechanischer Antrieb mit der klassischen Zahnkranz/Ritzel-Anordnung verwendet wird. So kann sich bereits eine erhebliche Wirkungsgraderhöhung und eine deutliche Verbesserung des Heckwiderstandes, verglichen mit einem Propellerantrieb klassischer Art, ergeben . By using a rim drive already a reduction of the stern resistance of a ship would be achieved by eliminating the ship appendages. However, the poor efficiency ei ¬ ner machine that requires a conversion of rotational energy into electrical energy and back into rotational energy is always present. In the context of the invention, therefore, suggest that the ship's propulsor use a classic sprocket / pinion mechanical drive. Thus, already a considerable increase in efficiency and a significant improvement in the rear resistance, compared with a propeller drive classic style result.
Eine weitere wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt sich, wenn die Flügel im Propulsor winkelverstellbar ausgebildet sind und für sie eine ständige Anpassung der Winkelstellung an die lokalen Strömungsbedingungen im Propulsor vorgenommen wird. Die Anpassung der Winkelstellung (Steigung) an die lokalen Strömungsbedingungen erfolgt für jeden einzelnen Flügel separat in Abhängigkeit von der Flügelposition in Umfangsrichtung . D.h., während einer Umdrehung ändert sich ständig die Flügelstellung. Dies erfolgt mit Hilfe von Führungsschiebern und Führungsschienen, deren Form vom Nach- stromfeld des Schiffes abhängt. Durch diese neue und erfinderische Ausbildung kann der Wirkungsgrad des Propulsors noch einmal erheblich gesteigert werden, da die unterschiedlichen Strömungsbedingungen des Wassers im Propulsor berücksichtigt werden können. Die Beschleunigung des Wassers im Propulsor kann so unabhängig von den Einströmbedingungen optimiert erfolgen. Das wirkt sich positiv auf den erzeugten Schub aus. Desgleichen wirkt sich positiv aus, wenn die Neigung des Propulsors an die Strömungsrichtung des das Schiff umströmenden Wassers eingestellt wird. A further significant improvement in the efficiency results when the wings are designed adjustable in angle in the propulsor and for them a constant adjustment of the angular position is made to the local flow conditions in Propulsor. The adjustment of the angular position (slope) to the local flow conditions is carried out separately for each individual wing as a function of the vane position in the circumferential direction. That is, during one revolution, the sash position is constantly changing. This is done with the help of guide slides and guide rails whose shape depends on the downstream field of the ship. This new and inventive design of the efficiency of the propulsor can be significantly increased again, since the different flow conditions of the water can be considered in the propulsor. The acceleration of the water in the propulsor can thus be optimized regardless of the inflow conditions. This has a positive effect on the generated thrust. Likewise, it has a positive effect if the inclination of the propulsor is adjusted to the flow direction of the water flowing around the ship.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung der Winkelstellung der Flügel an die lokalen Strömungsbedingungen mechanisch, insbesondere durch Führungsschienen, Gleitschienen und Führungsschieber, erfolgt. Durch die Verwendung von Führungsschiebern und Führungsschienen ergibt sich eine robuste und zuverlässige mechanische Lösung für die Winkelstellung, wobei z. B. von den Voith-Schneider- Antrieben bekannt ist, dass mit Mechaniken eine hohe Be- triebszuverlässigkeit erreicht werden kann. Die Form der Führungsschienen ist abhängig vom Nachstromfeld des Schiffes und wird entsprechend den lokalen Strömungsverhältnissen entworfen, um einen hohen Wirkungsgrad des Propulsors und geringe Kavitation zu erreichen. In an embodiment of the invention, it is provided that the adjustment of the angular position of the wings to the local flow conditions mechanically, in particular by guide rails, slide rails and guide slide takes place. By the use of guide slides and guide rails results in a robust and reliable mechanical solution for the angular position, wherein z. As is known from the Voith-Schneider drives that can be achieved with tuners high operating reliability. The shape of the guide rails depends on the downstream field of the ship and is designed according to the local flow conditions in order to achieve a high efficiency of the propulsor and low cavitation.
Eine hohe Betriebs Zuverlässigkeit ergibt sich auch, wenn die Winkelstellung jedes einzelnen Flügels durch Exzentertriebe erfolgt. Diese sind besonders robust und in vielen Maschinentypen erprobt, z.B. bei Pressen mit Hubhöhenverstellung. A high operational reliability is also obtained when the angular position of each wing is performed by eccentric drives. These are particularly robust and proven in many machine types, e.g. for presses with lifting height adjustment.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung der Winkelstellung an die lokalen Strömungsbedingungen durch elektrische Stellmotoren erfolgt. Elektrische Stellmotoren, insbesondere in der Ausführung als permanent erregte Ringmotoren, weisen ebenfalls eine hohe Betriebszuverlässigkeit auf und haben den Vorteil, dass ihre Schwenkgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Winkelstellung geregelt eingestellt werden kann. Der Verstellbereich der Flügel ist so konzipiert, dass von Vorwärts- auf Rückwärtsschub umgeschaltet werden kann. In another embodiment of the invention it is provided that the adaptation of the angular position takes place to the local flow conditions by electric servomotors. Electric servomotors, in particular in the embodiment as a permanently excited ring motors, also have a high operational reliability and have the advantage that their pivoting speed can be adjusted regulated as a function of the angular position. The adjustment range of the wings is designed to switch from forward to reverse thrust.
Für den Antrieb selbst wird sehr vorteilhaft ein Rotor gewählt, der einen außen liegenden Zahnkranz aufweist und wobei die Zähnezahl von Außenzahnkranz und vom Ritzel derart gewählt ist, dass kein Getriebe zwischen Propulsor und Schiffsmaschine notwendig ist. Auch durch diese Maßnahme kann der Wirkungsgrad des Antriebs nicht unerheblich gesteigert werden, so dass sich ein bisher unerreicht hoher Wirkungsgrad des Schiffsantriebs ergibt. For the drive itself, a rotor is advantageously chosen, which has an outer ring gear and wherein the number of teeth of the outer ring gear and the pinion is selected such that no transmission between Propulsor and ship's engine is necessary. Also by this measure, the Efficiency of the drive can be increased significantly, so that there is a previously unattained high efficiency of the marine propulsion.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Propulsor als Doppelpropulsor ausgebildet ist, dass also zwei Propulsoren nebeneinander liegend vorgesehen sind. Hierdurch ergibt sich eine sehr vorteilhafte Verbesserung des Abströmverhaltens vom Schiff, da sich die Strömung an das In a further embodiment of the invention, it is provided that the propulsor is designed as a double propulsor, so that two propulsors are provided lying side by side. This results in a very advantageous improvement of the discharge behavior of the ship, since the flow to the
Schiffsheck anlegen kann. Can create a hatchback.
Die Neigung der Antriebswelle kann der Richtung der Zuströ- mung angepasst werden. Dies hat eine Tieferlegung der Maschine zur Folge, wodurch sich der Massenschwerpunkt des Schiffes nach unten verlagert, was sich vorteilhaft auf die Stabilität des Schiffes auswirkt. The inclination of the drive shaft can be adapted to the direction of the inflow. This results in a lowering of the machine, which shifts the center of mass of the ship down, which has an advantageous effect on the stability of the ship.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Propulsor zwei in Strömungsrichtung des Wassers hintereinander liegende, gegenläufige Rotoren aufweist. So ergibt sich sehr vorteilhaft, dass der aus dem Propulsor austretende Wasserstrahl keine Rotation mehr aufweist, dass also auch die Rotationsenergie des Wasserstrahls für die Propulsion genutzt wird. In einer besonders einfachen Ausführung ist vorgesehen, dass auf den zweiten Rotor verzichtet wird, der sich im Strahl des vorderen Rotors befindet, und statt dessen ein nicht drehender Leitschaufelkranz (Stator) verwendet wird. Dessen Flügel erlauben eine generelle Anpassung der Winkelstellung an Veränderungen der Anströmung, z.B. durch Änderung der Schubrichtung oder Bodeneffekte im Flachwasser. Schiffsantriebe, die kontrarotierende Propellerblätter aufweisen, werden in der Regel von der Fachwelt nicht empfohlen, da hier mit einer hohen Kavitationsgefahr zu rechnen ist. Da es sich bei dieser Kavitation aber um eine Spitzenwirbelkavi- tation handelt und ein erfindungsgemäßer Propulsor keine entsprechenden Propellerblattspitzen (Flügelspitzen) im Außenradius aufweist, ist hier nicht mit einer entsprechenden Kavitationsgefahr zu rechnen. Es kann also ohne weiteres eine wirkungsgradverbessernde kontrarotierende Anordnung der Elemente, die das Wasser beschleunigen, genommen werden. Es ist dabei auch möglich, einen nicht drehenden Leitschaufelkranz zu verwenden. Ein nicht drehender Leitschaufelkranz ergibt natürlich nicht den gleichen sehr guten Wirkungsgrad wie ein rotierender Rotor. Die Anbindung der Flügelwurzel an den Außenzahnkranz ist kugelförmig gestaltet, um bei Änderung des Anstellwinkels des Flügels eine Spaltbildung und damit Kavitation zu vermeiden. In a further embodiment of the invention, it is provided that the propulsor has two counter-rotating rotors lying one behind the other in the flow direction of the water. This results in a very advantageous manner that the jet of water emerging from the propulsor no longer has any rotation, and that therefore also the rotational energy of the water jet is used for the propulsion. In a particularly simple embodiment it is provided that is dispensed with the second rotor, which is located in the beam of the front rotor, and instead a non-rotating vane ring (stator) is used. Its wings allow a general adaptation of the angular position to changes in the flow, eg by changing the direction of thrust or bottom effects in shallow water. Ship propulsion systems with counter rotating propeller blades are generally not recommended by experts, as they are likely to cause a high risk of cavitation. Since, however, this cavitation is a tip vortex cavitation and a propulsor according to the invention has no corresponding propeller blade tips (wing tips) in the outer radius, a corresponding danger of cavitation is not to be expected here. Thus, an efficiency enhancing contrarotating arrangement of the elements accelerating the water can readily be taken. It is also possible to use a non-rotating vane ring. Of course, a non-rotating vane ring does not give the same very good efficiency as a rotating rotor. The connection of the wing root to the outer ring gear is designed spherical so as to avoid a gap formation and thus cavitation when changing the angle of attack of the wing.
Zur hydrodynamischen Verbesserung, verglichen mit einem herkömmlichen Schiffspropeller, ist vorgesehen, dass die Düse in den Schiffsboden zumindest teilweise integriert ist und dass auch die Antriebswelle zumindest teilweise im Doppelboden des Schiffes angeordnet ist. So ergibt sich eine besonders widerstandsarme Ausbildung der Schiffsunterseite im Heckbereich, die zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads des Systems Schiff - Schiffsantrieb beiträgt. For hydrodynamic improvement, compared with a conventional ship propeller, it is provided that the nozzle is at least partially integrated into the ship's bottom and that the drive shaft is at least partially disposed in the double bottom of the ship. This results in a particularly low-resistance training of the underside of the ship in the rear area, which contributes to a further improvement in the efficiency of the system ship - marine propulsion.
Zur weiteren Verbesserung des Systems Propulsor - Schiff ist vorgesehen, dass die Drehzahl und die Flügelstellung des Pro- pulsors in Bezug auf die Einflüsse der Zuströmung zum Propulsor auf den Schiffswiderstand optimiert wird, wozu die Trimmlage und der Beladungszustand des Schiffes sowie weitere Einflußgrößen, wie z.B. (Bewuchs) und der Zustand des Unterwasserschiffs mit einbezogen werden können. So werden auch die Einflüsse, die außerhalb des Propulsors liegen und die ebenfalls den Wirkungsgrad beeinflussen, mit berücksichtigt. Die Regeleinrichtung weist vorteilhaft einen nicht flüchtigen Speicher auf, in den Vergleichsbedingungen eingehen, insbesondere die Trimmlage und der Beladungszustand, und dessen Inhalt dem Schiffsbetrieb in Bezug auf den Propulsor zugrunde gelegt werden kann. To further improve the propulsor-ship system, it is envisaged to optimize the speed and position of the propeller in relation to the influence of the inflow to the propulsor on the ship's resistance, including the trim position and the loading condition of the ship and others Influences, such as (fouling) and the state of the underwater vessel can be included. Thus, the influences that are outside the Propulsors and also affect the efficiency, are taken into account. The control device advantageously has a non-volatile memory, enter into the comparison conditions, in particular the trim position and the loading state, and the content of which can be based on the operation of the ship in relation to the Propulsor.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen weitere, auch erfinderische, Einzelheiten ersieht- lieh sind. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to drawings, from which further, even inventive, details are provided lent. Show it:
Figur 1 ein schematisches Beispiel für eine Hinterschiffskonfiguration ;  Figure 1 is a schematic example of a rear-end configuration;
Figur 2 die Leistungsübertragung zu den Rotoren in Seitenansicht ;  Figure 2 shows the power transmission to the rotors in side view;
Figur 3 die Anbindung der Flügel an die Rotoren, ebenfalls in Seitenansicht; Figure 3 shows the connection of the wings to the rotors, also in side view;
Figur 4 die Steuerung der Anstellwinkel der Flügel in Figure 4, the control of the angle of attack of the wings in
Vorderansicht; und  Front view; and
Figur 5 die Steuerung der Schubrichtung in Aufsicht in Figure 5 shows the control of the thrust direction in supervision in
Vergrößerung.  Enlargement.
In Figur 1, die eine besonders strömungsgünstige Hinterschiffskonfiguration zeigt, bezeichnet 21 den Schiffsboden und 20 den Außenzahnkranz eines Rotors. 10 bezeichnet die Flügel der Rotoren und 8 die Düse, in der die jeweiligen Rotoren laufen. Zwischen den beiden Rotoren kann sich eine Kielverlängerung nach unten, das sog. Totholz, erstrecken. Nicht gezeigt sind ggf. verwendete Reinigungsvorrichtungen für die Ritzel und die Außenzahnkränze, z.B. Hochdruckreinigungsdüsen, die insbesondere nach einer längeren Hafenliegezeit zur Reinigung der Ritzel und Zahnkränze verwendet werden können. In FIG. 1, which shows a particularly aerodynamic rear-end configuration, 21 denotes the ship's bottom and 20 the outer ring gear of a rotor. 10 denotes the blades of the rotors and 8 the nozzle in which the respective rotors run. Between the two rotors, a keel extension can extend downwards, the so-called deadwood. Not shown are possibly used cleaning devices for the pinion and the external cogs, such as high-pressure cleaning nozzles, which can be used in particular for a longer harbor time lying to clean the pinion and sprockets.
In Figur 2, die nähere Einzelheiten des Leistungsübertra- gungsstrangs zu den Rotoren zeigt, bezeichnet 1 die Antriebswelle für die beiden Rotoren mit einem Ritzel 2 für die Über- tragung der Leistung für den ersten Rotor und 3 ein Zahnrad für die Änderung der Drehrichtung. 4 bezeichnet den ersten Rotor und 5 den zweiten Rotor. 6 bezeichnet das Ritzel für die Übertragung der Leistung für den zweiten Rotor und 8 die Düse, in denen die Rotoren laufen. 7 bezeichnet die Lager für die Rotoren, wobei die Drehrichtung der Rotoren mit 17 und 18 angegeben ist. 20 bezeichnet schließlich den Zahnkranz für den hinteren Rotor, während 19 den Zahnkranz für den vorderen Rotor bezeichnet. Der Zahnkranz für den hinteren Rotor kann entfallen, wenn keine kontrarotierende Konfiguration gewählt wird, sondern ein Stator verwendet wird. In Fig. 2, which shows details of the power transmission line to the rotors, 1 denotes the drive shaft for the two rotors with a pinion 2 for transmitting power to the first rotor and 3 a gear for changing the direction of rotation. 4 denotes the first rotor and 5 the second rotor. 6 designates the pinion for transmitting the power for the second rotor and 8 the nozzle in which the rotors run. 7 denotes the bearings for the rotors, wherein the direction of rotation of the rotors is indicated at 17 and 18. 20 designates the sprocket for the rear rotor, while 19 designates the sprocket for the front rotor. The sprocket for the rear rotor can be omitted if no contrasting configuration is selected, but a stator is used.
In Figur 3, die die Anbindung der Flügel an die Rotoren in Seitenansicht zeigt, bezeichnet 10 die einzelnen Flügel. Aus dieser Figur ist auch ersichtlich, dass keine mittlere Nabe benötigt wird. Dies verbessert die Strömungsverhältnisse und ermöglicht einen offenen Durchfluß in der Mitte der Düse. Die Steuerung der Flügelstellung erfolgt über Führungsschieber. Diese sind auf dem Rotor befestigt, drehen sich also mit. 13 und 15 bezeichnen die Führungsschienen für die Führungsschie- ber IIb (siehe auch Abb. 5), wobei besonders vorteilhaft ist, dass jeder Rotor nur eine Führungsschiene aufzuweisen In Figure 3, which shows the connection of the wings to the rotors in side view, 10 denotes the individual wings. It can also be seen from this figure that no central hub is needed. This improves the flow conditions and allows an open flow in the middle of the nozzle. The control of the sash position via guide slide. These are mounted on the rotor, so they rotate with. 13 and 15 denote the guide rails for the guide slide IIb (see also Fig. 5), wherein it is particularly advantageous that each rotor has only one guide rail
braucht. Die Gestaltung der Führungsschienen hängt vom Nach- Stromfeld des Schiffes ab. Die Drehrichtung der Rotoren ist mit 17, 18 angegeben, wobei die Drehrichtung des hinteren Rotors entfallen kann, falls keine kontrarotierende Konfiguration, sondern ein Stator verwendet wird. Mit 19 ist ein Zahn- kränz für den vorderen Rotor bezeichnet und mit 20 ein Zahnkranz für den hinteren Rotor. Diese kann natürlich entfallen, wenn keine kontrarotierende Konfiguration verwendet wird. needs. The design of the guide rails depends on the Electric field of the ship from. The direction of rotation of the rotors is indicated at 17, 18, wherein the direction of rotation of the rear rotor can be omitted, if no contrarotating configuration, but a stator is used. 19 denotes a toothed rim for the front rotor and 20 a sprocket for the rear rotor. Of course, this can be omitted if no contrarotating configuration is used.
Figur 4 zeigt die Steuerung der Anstellwinkel der einzelnen Flügel in Vorderansicht und in vergrößertem Maßstab. Der Flügel 10 dreht sich in dem Lager 7, in Bezug auf seine Drehung angetrieben durch das Zahnrad 12. Figure 4 shows the control of the angle of attack of the individual wings in front view and on an enlarged scale. The vane 10 rotates in the bearing 7, driven by the gear 12 with respect to its rotation.
Figur 5 zeigt Einzelheiten der Steuerung der Flügel. IIb be- zeichnet die Führungsschieber, die sich auf Gleitschienen IIa hin und her bewegen. 4/5 bezeichnen den ersten Rotor bzw. den zweiten Rotor. 13 bzw. 15 sind die Führungsschienen für die Steuerung des Anstellwinkels der Flügel, wie bereits erwähnt. Mit 16 sind die Rollen für die Fixierung des Führungsschie- bers an der Führungsschiene bezeichnet. Figure 5 shows details of the control of the wings. IIb denotes the guide slides that move back and forth on slide rails IIa. 4/5 designate the first rotor and the second rotor, respectively. 13 and 15 are the guide rails for controlling the angle of attack of the wings, as already mentioned. 16 denotes the rollers for fixing the guide slide to the guide rail.
Von besonderem Vorteil des erfindungsgemäßen Propulsors ist es, dass eine stufenlose Steuerung der Schubrichtung möglich ist. In der Aufsicht sind die Einströmrichtungen für das Was- ser mit 0 bezeichnet und die Drehrichtung des vorderen Rotors mit 17 bzw. des hinteren Rotors mit 18. Of particular advantage of the propulsor according to the invention is that a stepless control of the thrust direction is possible. In the plan view, the inflow directions for the water are denoted by 0, and the direction of rotation of the front rotor is denoted by 17 and the rear rotor by 18, respectively.
Wie die Figur 5 zeigt, handelt es sich um zwei Führungsschie¬ nensysteme 13 und 15, die in axialer Richtung zueinander oder voneinander weg mit Hilfe des Aktuators 14 verschoben werden. Dies führt zu einer Änderung der Winkelstellung des Zahnrades 12, das mit der Wurzel des jeweiligen Flügels verbunden ist, - Io was eine Änderung der Flügelsteigung zur Folge hat . Dadurch ist die Schubrichtung stufenlos steuerbar, d.h. der Antrieb kann die Richtung des Schubes von vorwärts auf rückwärts ändern, ohne die Drehrichtung der Antriebswelle zu wechseln. So kann der Betriebspunkt des jeweiligen Rotors dem optimalen Betriebspunkt der Hauptmaschine angepaßt werden. As FIG 5 shows, there are two guide sliding ¬ nensysteme 13 and 15, 14 are moved away from one another with the aid of the actuator to each other in the axial direction or. This leads to a change in the angular position of the gear 12, which is connected to the root of the respective wing, - Io, which results in a change in the wing pitch. As a result, the thrust direction is infinitely controllable, ie the drive can change the direction of the thrust from forward to reverse, without changing the direction of rotation of the drive shaft. Thus, the operating point of the respective rotor can be adapted to the optimum operating point of the main engine.
Zusammenfassend ergeben sich bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: In summary, the following advantages over the prior art result in the example shown in the figures:
Reduzierung der Kavitation durch eine genaue und ständige Anpassung der Anstellwinkel der Flügel an die lokalen Strömungsverhältnisse während einer Umdrehung. Hoher Wirkungsgrad aufgrund der Aufteilung der Antriebsleistung auf zwei Rotoren, d.h., Halbierung des Schubbelastungsgrades . Reduction of cavitation by precise and constant adaptation of the angles of attack of the blades to the local flow conditions during one revolution. High efficiency due to the distribution of drive power on two rotors, i.e. halving the degree of thrust load.
Hoher Wirkungsgrad durch Verwendung des Gegenlaufprinzips (Kontrarotation) , Nutzung der Drallenergie des ersten Rotors zur Erzeugung von mehr Schub durch den zweiten Rotor, ohne die Nachteile der üblichen kontrarotierenden Propeller. High efficiency through use of the mating principle (contrarotation), use of the swirl energy of the first rotor to produce more thrust through the second rotor, without the disadvantages of the usual counter rotating propellers.
Einfache mechanische Steuerung der Anstellwinkel der Rotor- flügel, verglichen mit einem konventionellen Verstellpropeller bei Wegfall der Propellernabe. Simple mechanical control of the angle of attack of the rotor vanes, compared to a conventional variable pitch propeller with omission of the propeller hub.
Durch die ständige Anpassung der Anstellwinkel der Flügel während einer Umdrehung ist eine Verwendung einer Flügelform mit einem Skew-Verlauf nicht notwendig. Dadurch Reduzierung der Herstellungskosten für die Flügelgeometrie. Höhere Manövrierbarkeit des Schiffes durch genaue Steuerung der Schubrichtung. Due to the constant adjustment of the angle of attack of the wings during a revolution, a use of a wing shape with a skew curve is not necessary. This reduces the manufacturing costs for the wing geometry. Greater maneuverability of the ship by precise control of the thrust direction.
Höhere Redundanz aufgrund der Nutzung von zwei Rotoren pro Antrieb. Greater redundancy due to the use of two rotors per drive.
Höhere Sicherheit gegen Beschädigungen der Antriebswelle, da sie sich im Schiffsrumpf befindet. Das Gleiche gilt für die Rotoren, da sie sich in einer Düse befinden, die in den Greater safety against damage to the drive shaft as it is in the hull. The same applies to the rotors, since they are located in a nozzle, which in the
Schiffsrumpf integriert ist. Hull is integrated.
Der Antrieb ist verständlicherweise komplizierter als ein Propellerantrieb mit Festpropellern, aber die Mechanik der erfindungsgemäßen Antriebe ist ebenso beherrschbar, wie die von Voith-Schneider-Antrieben. Der Wirkungsgrad ist jedoch gegenüber Voith-Schneider-Antrieben deutlich höher und in der Ausführung mit zwei Propulsoren nebeneinander, der bevorzugten Ausführung, ergibt sich auch ein guter Geradeauslauf des Schiffes, wobei auch eine Unterstützung einer Drehbewegung durch die unterschiedliche Schubeinstellung der beiden Propulsoren möglich ist. The drive is understandably more complicated than a propeller drive with fixed propellers, but the mechanics of the drives according to the invention is just as manageable, as that of Voith Schneider drives. The efficiency is, however, compared to Voith Schneider drives significantly higher and in the version with two propulsors side by side, the preferred embodiment, there is also a good directional stability of the ship, with support for a rotational movement by the different thrust setting of the two propulsors is possible.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E P A T E N T A N S P R E C H E
Mechanisch angetriebener nabenloser Schiffspropulsor mit hohem Wirkungsgrad, der zumindest einen Rotor mit Flügeln (10) in einem Ring aufweist, wobei der mit einem Zahnkranz ausgestattete Rotor mit der Schiffsmaschine über eine Welle (1) mit Ritzel (2) zur Übertragung einer Drehbewegung verbunden ist, und wobei der Rotor in einer Düse (8) angeordnet ist, und wobei die rotierenden Flügel (10) des Rotors einzeln winkelverstellbar ausgebildet sind und bei jeder Umdrehung eine ständige Anpassung ihrer Winkelstellung an die lokalen Strömungsbedingungen, insbesondere an die Zuströmbedingungen in der Düse (8), erlauben und wobei vorzugsweise die Neigung des Propulsors an die Strömungsrichtung anpassbar ist. A mechanically driven high efficiency hullless ship propeller having at least one rotor with vanes (10) in a ring, the rotor equipped with a ring gear being connected to the ship engine via a shaft (1) with pinion (2) for transmitting rotational motion, and wherein the rotor is arranged in a nozzle (8), and wherein the rotating blades (10) of the rotor are individually angularly adjustable and at each revolution a constant adjustment of their angular position to the local flow conditions, in particular to the inflow conditions in the nozzle (8 ), and wherein preferably the inclination of the propulsor is adaptable to the flow direction.
Propulsor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ständige Anpassung der Winkelstellung an die lokalen Strömungsbedingungen mechanisch, insbesondere durch Führungsschienen (13, 15), Gleitschienen (IIa) und Führungsschieber (IIb) , erfolgt, wobei die Gestaltung der Führungsschienen (13, 15) von der Nachstromverteilung des Schiffes abhängt. Propulsor according to claim 1, characterized in that the constant adaptation of the angular position to the local flow conditions mechanically, in particular by guide rails (13, 15), slide rails (IIa) and guide slide (IIb), takes place, wherein the design of the guide rails (13, 15 ) depends on the downstream flow distribution of the ship.
Propulsor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubrichtung durch Verschieben von Führungsschienen umkehrbar ist. 4. Propulsor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ständige Anpassung der Winkelstellung jedes einzelnen Flügels an die lokalen Strömungsbedingungen durch Exzentertriebe erfolgt. Propulsor according to claim 1 or 2, characterized in that the thrust direction is reversible by moving guide rails. 4. Propulsor according to claim 1, characterized in that the constant adjustment of the angular position of each wing to the local flow conditions Eccentric drive takes place.
Propulsor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Winkelstellung an die lokalen Strömungs bedingungen durch elektrische Stellmotoren bzw. hydraulische Aktuatoren erfolgt. Propulsor according to claim 1, characterized in that the adaptation of the angular position of the local flow conditions by electric servomotors or hydraulic actuators takes place.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen außen liegenden Zahnkranz (19, 20) aufweist, wobei die Zähnezahl von Außenzahnkranz (19, 20) und Ritzel (2, 6) derart gewählt ist, dass kein Getriebe zwischen Propulsor und Schiffsmaschine notwendig ist. Propulsor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the rotor has an external toothed rim (19, 20), wherein the number of teeth of outer ring gear (19, 20) and pinion (2, 6) is selected such that no gear between Propulsor and ship's engine is necessary.
Propulsor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Doppelpro- pulsor ausgebildet ist. Propulsor according to one or more of the preceding claims, characterized in that it is designed as a double propeller.
Propulsor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei in Strömungsrichtung des Wassers hintereinander liegende Rotoren aufweist, die vorzugsweise als kontrarotierende Rotoren ausgebildet sind. Propulsor according to one or more of the preceding claims, characterized in that it comprises two in the flow direction of the water one behind the other rotors, which are preferably designed as Kontrarotierende rotors.
Propulsor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor einem Rotor ein nicht drehender Leitschaufelkranz (Stator) angeordnet ist, dessen Flügel insbesondere eine situationsbedingte Anpassung der Winkelstellung an Veränderungen der Anströ- mung, z.B. durch Bodeneffekte im Flachwasser oder Änderung der Schubrichtung, erlauben. Propulsor according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the flow direction in front of a rotor, a non-rotating vane ring (stator) is arranged, whose wings in particular a situational adjustment of the angular position of changes in Anström- tion, eg by bottom effects in shallow water or change the thrust direction, allow.
10. Propulsor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (8) in den Schiffsboden (21) bzw. in das Totholz zumindest teilweise integriert ist. 10. Propulsor according to one or more of the preceding claims, characterized in that the nozzle (8) in the ship's bottom (21) or in the deadwood is at least partially integrated.
11. Propulsor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (1) zumindest teilweise im Doppelboden des Schiffes oder in der Gondel bzw. im Totholz angeordnet ist. 11. Propulsor according to one or more of the preceding claims, characterized in that the drive shaft (1) is arranged at least partially in the raised floor of the ship or in the nacelle or in the deadwood.
12. Propulsor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Regeleinrichtung aufweist, die eine Einstellung der Propellerflügel derart vornimmt, dass optimale Betriebsbedingungen der Schiffsmaschine erreicht werden. 12. Propulsor according to one or more of the preceding claims, characterized in that it comprises a control device which makes an adjustment of the propeller blades such that optimum operating conditions of the ship's engine can be achieved.
13. Propulsor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Regeleinrichtung aufweist, die Drehzahl und Flügelstellung des Propulsors unter Berücksichtigung der Einflüsse des Nach- stromfeldes optimiert, z.B. unter Berücksichtigung der Trimmlage und des Beladungszustandes des Schiffes sowie ggf. weiterer Einflussgrößen. 14. Schiff, gekennzeichnet durch die Verwendung eines zumindest teilweise in den Schiffsboden integrierten Propulsors, insbesondere eines Doppelpropulsors, mit während des Betriebs winkelverstellbaren Flügeln und mechanischem Antrieb . 13. Propulsor according to one or more of the preceding claims, characterized in that it comprises a control device which optimizes the speed and position of the propulsor wing, taking into account the effects of the aftercurrent field, e.g. taking into account the trim position and the loading condition of the ship as well as other influencing factors. 14. Ship, characterized by the use of an at least partially integrated in the ship's bottom Propulsors, in particular a Doppelpropulsors, with angle-adjustable wings during operation and mechanical drive.
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