WO2013135798A1 - Ship drive having a hubless propeller - Google Patents

Ship drive having a hubless propeller Download PDF

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WO2013135798A1 PCT/EP2013/055204 EP2013055204W WO2013135798A1 WO 2013135798 A1 WO2013135798 A1 WO 2013135798A1 EP 2013055204 W EP2013055204 W EP 2013055204W WO 2013135798 A1 WO2013135798 A1 WO 2013135798A1
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Nicky Wolter
Christian GIERER
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Voith Patent Gmbh
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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
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    • 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)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

The invention relates to a ship drive having a hubless propeller, comprising the following components and characteristics: - a rotor (1) having a rotor ring (3) made of carbon steel; - a plurality of rotor blades borne by the rotor ring, which point radially inward; - a stator having a laminated stator core; - a plurality of permanent magnets (6) borne by the rotor ring; - wherein the propeller is surrounded by a cylindrical flow-guiding housing (10); - wherein the housing wall is surrounded by a cylindrical tunnel wall (11); - wherein an annular gap having openings for the inlet and outlet of seawater is located between the flow-guiding housing and the tunnel wall; - and wherein radial positioning means are provided for radially positioning and fixing the flow-guiding housing relative to the tunnel wall.

Description

Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller  Ship propulsion with a hubless propeller
Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller. Solche Propeller sind aus EP 1 739 007 AI bekannt geworden. The invention relates to a ship propulsion system with a hubless propeller. Such propellers have become known from EP 1 739 007 AI.
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. They serve as the main propulsion for ships, but also as transverse jet propulsion systems. They are particularly suitable for bugging ships and are therefore successfully used in yachts and tugs, but also in drilling platforms.
Die wesentlichen Bauelemente eines nabenlosen Propellers sind die folgenden: The essential components of a hubless propeller are the following:
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. 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.
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. The problem with such hubless propellers is the cooling. During operation, large amounts of heat are generated, which must be reliably dissipated. Seawater is used as coolant. This has corrosive properties. Therefore, there is another problem in the corrosion of the water wetted components.
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. 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.
Diese Aufgabe wird mit einem Schiffsantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt: This object is achieved by a ship propulsion system according to claim 1. The invention is explained in more detail with reference to the drawing. The following is shown in detail:
Figur 1 zeigt in schematischer sehr allgemeiner Darstellung einen FIG. 1 shows a schematic very general representation of one
nabenlosen Propeller.  hooligan propeller.
Figur 2 zeigt in einem Axialschnitt in vergrößerter Darstellung wesentliche Figure 2 shows in an axial section in an enlarged view essential
Bauteile des Rotors des Propellers gemäß Figur 1.  Components of the rotor of the propeller according to FIG. 1
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Querstrahlantrieb, FIG. 3 shows a schematic representation of a transverse jet drive,
wiederum in einem Axialschnitt.  again in an axial section.
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. 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.
Der in Figur 2 dargestellte Rotor ist wie folgt aufgebaut: The rotor shown in Figure 2 is constructed as follows:
Er umfasst einen Rotorring 3 aus Kohlenstoffstahl. Dieser ist an seinen beiden axialen Enden von zwei Tragringen 4 aus Edelstahl oder einem It comprises a 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
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. worn corrosion-resistant carbon steel. The connection between the rotor ring 3 and 4 support rings, for example, a welded joint - see the weld 5. However, another type of connection is conceivable.
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 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
Endbereiche der Edelstahlhülse 7 auf der Mantelfläche der beiden Tragringe 4, 4 auf. End portions of the stainless steel sleeve 7 on the lateral surface of the two support rings 4, 4.
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. 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. Instead of laser welding or in addition to stainless steel sleeve 7 and the support rings 4, 4 are also glued together. A shrinking of the stainless steel sleeve 7 is conceivable. Also, two or three of these mentioned methods can be used.
Zwischen der Edelstahlhülse 7 und den äußeren Mantelflächen der Between the stainless steel sleeve 7 and the outer surfaces of the
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. 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.
Sämtliche Freiräume zwischen Hülse, Magnetträger und Magneten sind mit einer Masse wie beispielsweise einem Harz-Härter-Gemisch ausgegossen. All clearances between sleeve, magnet carrier and magnets are filled with a mass such as a resin-hardener mixture.
Die Rotorblätter sind hier nicht gezeigt. Sie erstrecken sich radial nach innen zur Drehachse hin. The rotor blades are not shown here. They extend radially inwards towards the axis of rotation.
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. 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 Strömungsleitgehäuse 10, which in turn is arranged in a tunnel, see the tunnel wall 11, which is part of the ship. The Strömungsleitgehäuse 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.
Aus dieser Figur erkennt man auch die Rotorblätter 1.1. Zwischen deren freien Enden befindet sich ein Freiraum, durch den beim Betrieb Wasser From this figure one also recognizes the rotor blades 1.1. Between the free ends there is a space through which water during operation
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. can flow through it. Accurate positioning of the transverse jet propulsion relative to the ship is important. It is therefore important to position the Strömungsleitgehäuse 10 accurately and correctly relative to the tunnel channel, both in the direction perpendicular to the axis of rotation 1.3, as well as parallel thereto. For positioning perpendicular to the axis of rotation (in the radial direction) a plurality of positioning devices 13 are provided. These include radially displaceable punch 13.1. In this way, the flow guide housing 10 can be accurately and reliably fixed to the tunnel wall 11 in the radial direction. For positioning and fixing in the axial direction fixing screws 14 are provided.
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. Very important for a hooligan propeller of the type described here is reliable and adequate cooling. Such is primarily made possible by the fact that between the flow guide 10 and the Tunnel wall 11 is an annulus. This is flowed through during operation of the transverse jet drive of water, which serves as cooling water. The flow of cooling water runs in the opposite direction to the current generated by the transverse jet output. Assuming that the main flow direction generated by the propeller runs from left to right in the figure, the cooling water flow in the figure flows from right to left. He enters in the area between the stator housing and Strömungsleitgehäuse in said annulus. He then flows through this, and in this case runs between the tunnel wall 11 and the stator 2, more precisely a stator housing 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 In addition, another water flow takes place, between rotor 1 and stator 2. Between these two there is a gap 15. This
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. 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.
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 However, the following effect occurs: The water flowing between the rotor 1 and the stator 2 causes a circulation flow. This partial flow thus runs after flowing through the annular gap between the rotor 1 and stator 2 radially inwardly. Then it runs parallel to the ring flow, but in the opposite direction, then pivots radially outward, and in turn enters the annular gap between the rotor 1 and stator 2 a. By the described
Strömungsverlauf findet eine intensive Kühlung des Motors statt. Entscheidende Bauteile des Rotors sind seewassergeschützt. Dies gilt Flow course takes place intensive cooling of the engine. Crucial components of the rotor are seewasergeschützt. this applies
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 especially for the permanent magnets. The design of the room in which the magnets are located, their induction and their magnetic force are not affected. The entire structure of the rotor is very simple and therefore inexpensive. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Rotor rotor
Rotorblatt  rotor blade
Drehachse  axis of rotation
Stator  stator
Statorgehäuse  stator
Rotorring  rotor ring
Tragring  support ring
Schweißnaht  Weld
Permanentmagnet  permanent magnet
Edelstahlhülse  stainless steel sleeve
Strömungsleitgehäuse  Strömungsleitgehäuse
Düse  jet
Düse  jet
Tunnelwand  tunnel wall
Stromführungsleiste  Current guide rail
Positioniereinrichtung  positioning
Stempel  stamp

Claims

Patentansprüche claims
1. Schiffsantrieb mit einem nabenlosen Propeller, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale: 1. Ship propulsion with a hubless propeller, comprising the following components or features:
1.1 einen Rotor (1) mit einem Rotorring (3) aus Kohlenstoffstahl;  1.1 a rotor (1) with a rotor ring (3) made of carbon steel;
1.2 mehrere vom Rotorring (3) getragene Rotorblätter, die radial nach innen weisen;  1.2 a plurality of rotor blades (3) carried rotor blades facing radially inward;
1.3 mit einem Stator und einem Statorblechpaket;  1.3 with a stator and a laminated stator core;
1.4 mehrere von Rotorring (3) getragene Permanentmagnete (6);  1.4 a plurality of rotor ring (3) supported permanent magnets (6);
1.5 der Propeller ist von einem zylindrischen Strömungsleitgehäuse (10)  1.5 the propeller is of a cylindrical Strömungsleitgehäuse (10)
umschlossen;  enclosed;
1.6 das Strömungsleitgehäuse (10) ist von einer zylindrischen Tunnelwand (11) umschlossen;  1.6 the Strömungsleitgehäuse (10) is enclosed by a cylindrical tunnel wall (11);
1.7 zwischen Strömungsleitgehäuse (10) und Tunnelwand (11) befindet sich ein Ringspalt, der Öffnungen zum Ein- und Austritt von Seewasser aufweist; 1.7 between Strömungsleitgehäuse (10) and tunnel wall (11) is an annular gap having openings for the inlet and outlet of seawater;
1.8 es sind radiale Positioniermittel zum radialen Positionieren und Fixieren des Strömungsleitgehäuses (10) relativ zur Tunnelwand (11) vorgesehen. 1.8 there are provided radial positioning means for radially positioning and fixing the flow guide (10) relative to the tunnel wall (11).
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. 2. Vessel propulsion system according to claim 1, characterized in that the radial positioning means (13) movable in the radial direction punch (13.1), and that one end of a punch (13.1) in a socket on one of the walls (10, 11) mounted , and the other end is received in a receptacle on the other wall (10, 11).
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. 3 ship propulsion system according to claim 2, characterized in that the two axial ends of the flow guide (10) to the outside to nozzles (10.1, 10.2) expand.
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. 4. Ship propulsion system according to claim 3, characterized in that the two axial ends of the tunnel wall (11) also to the outside to nozzles (11.1, 11.2) expand while forming extensions of the nozzles (10.1, 10.2) of the flow guide (10).
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