WO2020035112A1 - Verfahren für antrieb und steuerung eines schiffes und schiff dafür - Google Patents

Verfahren für antrieb und steuerung eines schiffes und schiff dafür Download PDF

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WO2020035112A1
WO2020035112A1 PCT/DE2019/100729 DE2019100729W WO2020035112A1 WO 2020035112 A1 WO2020035112 A1 WO 2020035112A1 DE 2019100729 W DE2019100729 W DE 2019100729W WO 2020035112 A1 WO2020035112 A1 WO 2020035112A1
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azimuth
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stern
drives
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Ulfried WEISSER
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Weisser Ulfried
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J3/04—Driving of auxiliaries from power plant other than propulsion power plant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/42—Steering or dynamic anchoring by propulsive elements; Steering or dynamic anchoring by propellers used therefor only; Steering or dynamic anchoring by rudders carrying propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J2003/001—Driving of auxiliaries characterised by type of power supply, or power transmission, e.g. by using electric power or steam
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for driving and controlling a ship with a ship's hull with bow and stern, the ship being driven by at least one main engine to travel through the water and controlled by at least one steering gear in its direction of travel, and the ship being redundant to the main engine and the steering gear is driven and controlled by azimuth drives close to the bow and stern. Furthermore, the invention relates to a ship with at least one main engine for traveling through the water and at least one rudder system for controlling its direction of travel with a ship's hull with bow and stern, with redundancy to the main engine and the rudder system
  • Azimuth drives are provided close to the bow and stern.
  • Ships especially seagoing vessels, usually have a main engine with shaft drive and ship propeller along the midships line and rudder system arranged behind them in their hull.
  • Main machines can be redundantly equipped so that in an emergency the ship can continue to operate with only one or the other main machines in the event of a failure of a main machine and so on
  • azimuth drives generate propulsion in different ways and can also be adjusted in their direction of propulsion by means of the essentially vertical axis of rotation, which means that the direction of travel of the Ship can be influenced.
  • Known azimuth drives are the so-called pod drives, rudder propellers, rotatable water jet drives or cycloid propellers (Voith-Schneider propellers).
  • working platforms are known, for example, for deep-sea drilling or as so-called erection ships for wind turbines at sea, which have a pod drive at their four corners on their hull, usually designed as a working platform, in order to achieve perfect positioning at sea with dynamic aids without anchoring to the ground to be able to.
  • a “shuttle tanker” is known from a publication by Rolls-Royce plc "Marine Products and Systems", MPS 10/05/17, pages 28 to 29, which, in addition to a main machine with a drive shaft, ship propeller and downstream rudder system, has a retractable frontazimuth drive and has a retractable stern azimuth drive next to a bow thruster with flow channel arranged in the bow area.
  • Deep-water anchor handling ship which in addition to two parallel main engines with drive shafts and propellers, each have an aileron channel in the stern and bow (side thrusters) and two retractable azimuth drives (side thrusters (retractable)).
  • WO 2014/059995 A1 also discloses a ship propulsion system and a method for controlling the speed of at least one main engine, with which a ship is propelled with a main engine and four electrical auxiliary machines (thrusters).
  • the main machine drives a generator for the four electrical auxiliary machines (thrusters).
  • the electrical auxiliary machines are used to hold a ship in position, for example when drilling a deep-sea hole.
  • the speed of rotation of the main engine is reduced as far as possible, the required propulsion being adjusted by adjusting the pitch of the propellers.
  • the course of the ship is determined by the inflow by the rudder blade of the rudder system arranged at the stern. The more the rudder blade is turned in, the stronger the braking effect becomes
  • the object of the invention is therefore to provide a ship propulsion and control system which, in addition to the conventional propulsion system via the main engine and control system via a rudder system, also provides redundant propulsion and control means which also act when cruising.
  • This object is achieved with a method for propulsion and control of a ship with a hull with bow and stern, the ship being driven by at least one main engine for travel through the water and controlled by at least one steering gear in its direction of travel and redundant to the main engine and the steering gear from Azimuth drives near the bow and at the stern are driven and controlled, the azimuth drives running parallel to the main engine and rudder system during marching and / or cruising and actively steering.
  • the object is achieved with a ship with at least one
  • Main machine for driving through the water and at least one rudder system for controlling its direction of travel with a ship's hull with bow and stern, redundant to the main machine and the rudder system, azimuth drives are provided close to the bow and stern, a separate one
  • Main engine and rudder system in front namely a separately supplied and controlled system made of azimuth drives, which always run with the march and / or territory and support the ship in the drive and its control. If one of the two redundant propulsion systems fails, the ship can continue to sail at a slightly reduced speed and remain fully maneuverable.
  • the moving azimuth drives can actively intervene in the directional control and support the rudder system or replace them at an even slower voyage or at a standstill, with no inflow or insufficient inflow at the rudder blade.
  • the main engine or the rudder system fails, it is always sufficient
  • Transition area between almost standstill and sufficient forward (or backward) travel, in which the bow thruster channel can no longer be flowed in, is accordingly omitted.
  • Bugazimut drives and two near the stern as rear azimuth drives are provided, the drive power for this type of propulsion can be distributed to four similar machines.
  • the drive power for this type of propulsion can be distributed to four similar machines.
  • Azimuth drives are controlled and supplied independently of one another in order to increase the redundancy of the drive systems and to make a total failure practically impossible.
  • the azimuth drives can simultaneously transmit a slight torque about the yaw axis to the ship when driving forwards (or backwards) and thus adjust the rudder Cruise for example to compensate for wind loads or
  • a suitable azimuth drive is a pod drive, a rudder propeller, a rotatable water jet drive or a cycloid propeller.
  • Electrically driven ones for example the Azipod drives from ABB, are particularly preferred because they have a relatively small electric motor in a cigar-shaped nacelle under water, that is, they form only a low flow resistance and are also largely maintenance-free.
  • the electrical energy is then generated, for example, by a preferably supplementary second main machine with an attached generator or the like.
  • Fig. 1 shows schematically a ship in plan view with the azimuth drives
  • a seagoing vessel 1 with a conventional elongated hull 10 is shown in plan view.
  • the ship 1 is symmetrical to the
  • Mitschiffsline 13 formed, which is shown in dashed lines in Fig. 1.
  • a rudder system 3 consisting of a rudder blade 30 which can be deflected by a rudder shaft 31.
  • the rudder is deflected slightly to the left (port side) by the midship line 13, so that the ship is at
  • azimuth drives 4 are provided in the exemplary embodiment shown here. These are a total of four azimuth drives 4, namely two drives at the stern as starboard stern azimuth drive 41 and port stern azimuth drive 42 and two azimuth drives in the area of bow 11 as starboard bow azimuth drive 43 and port bow azimuth drive 44.
  • Each azimuth drive 4 has an ellipsoidal shape Gondola 45 in which the drive motor, for example an electric motor, is accommodated.
  • a nacelle propeller 46 is attached to the nacelle 45 and is driven in rotation by the motor housed in the nacelle 45.
  • the azimuth drive 4 is designed to be rotatable about a vertical axis, as is visualized by the schematically represented rotating area 47.
  • These four azimuth drives 41-44 can thus be completely rotated through 360 ° about their vertical axis (vertical axis).
  • the direction of the propulsion and additionally the driving force, that is to say the propulsion in the respectively selected direction, can thus be controlled individually.
  • Each gondola 45 can therefore be adjusted forwards, backwards or sideways to starboard or port or in all directions in between and provide individual propulsion.
  • the four azimuth drives 41-44 preferably work completely independently of one another, i. that is, all units that control and drive each of the
  • Azimuth drives 41-44 are required, i.e. electronics, control and
  • control electronics which include both the main engine 2, the steering gear 3 and the four
  • Azimuth drives 4 controls suitably matched. However, should this control or another important unit fail, the redundant azimuth drives 4 can be operated independently of the
  • Main engine 2 and / or the rudder system 3 are operated and thus enable maneuverability and even a further (possibly reduced) cruise.
  • the other azimuth drives 4 in the event of a further failure, for example of one or two azimuth drives 4, the other azimuth drives 4 at least the maneuverability of the ship 1
  • the ship 1 can thus be controlled during normal cruising so that a power-operated deflection of the rudder blade 30 can be omitted, since the azimuth drives 4 supplement the Driving the main machine 2, a directional correction can be made possible by setting the azimuth drives 4. For example, run the
  • Port azimuth drives 42, 44, the ship 1 will perform a wide arc over port (left turn).
  • both the conventional propulsion system consisting of main engine 2 and rudder system 3 as well as the supplementary propulsion and control system consisting of the four azimuth drives 4 shown here always run along in marching and / or territorial travel and thus support the propulsion and the maneuverability of the ship ,
  • the ship continues its journey with the remaining system and can therefore still reach its destination port or the next port with a slightly reduced cruising speed and remains fully maneuverable, i.e. also controllable.
  • a separate energy supply device 5 here with a supplementary machine 51 and a generator 52 with a supply line 53, is provided in the ship's hull 10.
  • This supply line 53 leads to a control unit 6, from which active lines 61 lead to the four azimuth drives 4.
  • the Wrk effet 61 transmit the electrical energy to the azimuth drives 4 and the
  • Energy supply device 5 also a fuel cell or
  • the maneuverability improves considerably when the ship 1 is traveling slowly or at a standstill, since the four azimuth drives 4 always run along and thus Even when driving very slowly, in which a rudder effect on the rudder blade 30 of the rudder system 3 can no longer be guaranteed (stall), are always effective.
  • the necessary maneuverability can thus be obtained by actuating the azimuth drives 4. It is thus possible for ships equipped in this way to perform difficult maneuvers in narrow fairways without the need for separate tug assistance. In particular, mooring and laying maneuvers can also be carried out without a tractor aid.
  • the azimuth drives 4 can even out the movement of the ship and, in particular, significantly reduce yaw in heavy seas.
  • the ship can be kept on course more easily and adjusted transversely to the waves 21 even during a hurricane trip.
  • the additional azimuth drives 4 deliver an improved maneuverability of the ship with simultaneous provision of the redundant drive and control system, so that even if the
  • the additional four azimuth drives 4 in the exemplary embodiment shown here cause considerable costs, which, however, can be amortized by considerable advantages, in particular by fuel savings during normal cruising due to the lack of braking effect by the rudder system 3, the saving of tractor assistance when starting up. and putting down and turning the ship and during difficult navigating; the faster and more precise straight-ahead driving through reduced yaw; the higher safety during hurricane trips and in difficult waters, especially for passengers or Cruise ships and ships with dangerous cargo.
  • the system presented here can achieve redundancy level 3 of Germanischer Lloyd, as can be seen from the relevant
  • a ship equipped in this way could turn on the spot, for example before returning after being extinguished.
  • the Hamburg harbor basin has to be maneuvered very precisely.
  • ships that protrude far out of the water and therefore offer a large sail area have difficulty mooring. So not only can the bow be turned towards the pier like with the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für Antrieb und Steuerung eines Schiffes (1) mit einem Schiffsrumpf (10) mit Bug (11) und Heck (12), wobei das Schiff (1) mit wenigstens einer Hauptmaschine (2) zur Fahrt durchs Wasser angetrieben und von wenigstens einer Ruderanlage (3) in seiner Fahrtrichtung gesteuert wird und das Schiff (1) redundant zur Hauptmaschine (2) und zur Ruderanlage (3) von Azimutantrieben (4) nahe am Bug (11) und am Heck (12) angetrieben und gesteuert wird, wobei die Azimutantriebe (4) parallel zur Hauptmaschine (2) und Ruderanlage (3) aktiv mitlaufen und mitsteuern. Ferner betrifft die Erfindung ein Schiff (1) mit wenigstens einer Hauptmaschine (2) zur Fahrt durchs Wasser und wenigstens einer Ruderanlage (3) zur Steuerung seiner Fahrtrichtung mit einem Schiffsrumpf (10) mit Bug (11) und Heck (12), wobei redundant zur Hauptmaschine (2) und zur Ruderanlage (3) Azimutantriebe (4) nahe am Bug (11) und am Heck (12) vorgesehen sind.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren für Antrieb und Steuerung eines Schiffes und Schiff dafür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für Antrieb und Steuerung eines Schiffes mit einem Schiffsrumpf mit Bug und Heck, wobei das Schiff mit wenigstens einer Hauptmaschine zur Fahrt durchs Wasser angetrieben und von wenigstens einer Ruderanlage in seiner Fahrtrichtung gesteuert wird und das Schiff redundant zur Hauptmaschine und zur Ruderanlage von Azimutantrieben nahe am Bug und am Heck angetrieben und gesteuert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Schiff mit wenigstens einer Hauptmaschine zur Fahrt durchs Wasser und wenigstens einer Ruderanlage zur Steuerung seiner Fahrtrichtung mit einem Schiffsrumpf mit Bug und Heck, wobei redundant zur Hauptmaschine und zur Ruderanlage
Azimutantriebe nahe am Bug und am Heck vorgesehen sind.
Schiffe, insbesondere Seeschiffe, weisen in ihrem Schiffsrumpf meist eine Hauptmaschine mit Wellenantrieb und Schiffspropeller entlang der Mitschiffslinie und dahinter angeordneter Ruderanlage auf. Ferner gibt es Schiffe, die zwei oder drei parallel angeordnete Hauptmaschinen mit über zugeordnete Wellen angetriebenen Schiffspropellern aufweisen, die eine oder zwei Ruderanlagen hinter den Schiffsschrauben aufweisen. Bei zwei oder mehr parallelen
Hauptmaschinen kann eine redundante Ausstattung so vorgenommen werden, dass im Notfall das Schiff bei Ausfall einer Hauptmaschine mit nur einer oder den übrigen Hauptmaschinen weiter betrieben werden kann und insoweit
manövrierfähig bleibt.
Ferner sind für Spezialschiffe andere Schiffsantriebe bekannt, die ein
kombiniertes System zum Schiffsvortrieb und zur Steuerung der Fahrtrichtung aufweisen. Diese sogenannten Azimutantriebe erzeugen auf unterschiedliche Weise einen Vortrieb und sind zusätzlich durch die im wesentlichen senkrechte Drehachse in Ihrer Vortriebsrichtung verstellbar, womit die Fahrtrichtung des Schiffes beeinflussbar ist. Bekannte Azimutantriebe sind die sogenannten Podantriebe, Ruderpropeller, drehbare Wasserstrahlantriebe oder Zykloid- Propeller (Voith-Schneider-Propeller).
Beispielsweise sind Fähren bekannt, die unter ihrem meist vollständig
symmetrisch aufgebautem Unterwasserschiff am Bug und Heck je einen sogenannten Azipodantrieb aufweisen. Eine solche Fähre ist optimal
manövrierfähig und kann vor- wie rückwärts gleichartig betrieben werden.
Ferner sind Arbeitsplattformen beispielsweise für Tiefseebohrungen oder als sogenannte Errichterschiffe für Windenergieanlagen auf See bekannt, die an ihrem Schiffsrumpf, meist eher als Arbeitsplattform ausgebildet, an ihren vier Ecken je einen Podantrieb aufweisen, um eine perfekte Positionierung auf See mit dynamischen Hilfsmitteln ohne Verankerung am Boden erreichen zu können.
Beispielsweise ist aus einer Veröffentlichung von Rolls-Royce plc„Marine Products and Systems“, MPS 10/05/17, Seite 28 bis 29 ein„shuttle tanker“ bekannt, der neben einer Hauptmaschine mit Antriebswelle, Schiffspropeller und nachgelagerter Ruderanlage einen einziehbaren Bugazimutantrieb sowie einen einziehbaren Heckazimutantrieb neben einem im Bugbereich angeordneten Bugstrahlruder mit Strömungskanal aufweist.
Ferner ist von Rob Almeida unter„Damen Unveils Beastly 200T Bollard Pull Anchor Händler“, vom 31. Januar 2013 unter
URL https://gcaptain.com/damen-unveils-beastly-20Ot -bollard ein
Tiefwasser-Anker-Handling-Schiff bekannt, das neben zwei parallel liegenden Hauptmaschinen mit Antriebswellen und Propellern je einen Querruderkanal im Heck und Bug (side thrusters) sowie zwei einziehbare Azimutantriebe (side thrusters (retractable)) aufweist.
Ferner ist aus der WO 2014/059995 A1 ein Schiffsantriebssystem und ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl wenigstens einer Hauptmaschine bekannt, mit dem ein Schiff mit einer Hauptmaschine und vier elektrischen Hilfsmaschinen (thrusters) angetrieben wird. Dabei wird von der Hauptmaschine ein Generator für die vier elektrischen Hilfsmaschinen (thrusters) angetrieben. Die elektrischen Hilfsmaschinen dienen zur Positionshaltung für ein Schiff, beispielsweise beim Niederbringen einer Tiefseebohrung. Um die Maschinenleistung bei dieser dynamischen Positionierung des Schiffes möglichst niedrig zu halten und somit Kraftstoff zu sparen, wird die Drehgeschwindigkeit der Hauptmaschine möglichst weit heruntergeregelt, wobei der erforderliche Vortrieb durch Neigungsverstellung von Verstellpropellern angepasst wird.
Ferner ist es bekannt, auch normale Passagier- oder Frachtschiffe ausschließlich mit Azimutantrieben, wie beispielsweise mit Azipod-Antriebe von ABB bei der „Freedom of the Seas“, auszustatten. Bei dem letztgenannten Passagierschiff ist schiffsmittig am Heck eine fest installierte Azipod-Gondel und Steuerbord sowie Backbord von dieser Position je eine verstellbare Azipod-Anlage installiert. Dabei wird auf eine Ruderanlage komplett verzichtet, da die beiden äußeren
beweglichen Aziumutantriebe die nötige Manövrierfähigkeit liefern.
Herkömmliche Schiffsantriebe mit einer, zwei oder drei parallel angeordneten Hauptmaschinen mit Antriebswelle, Schiffspropeller und Ruderanlage am Heck zeigen bei einer sehr kostengünstigen Antriebsanlage jedoch folgende Probleme:
1. Durch das am Heck angeordnete Ruderblatt der Ruderanlage wird durch das Anströmen der Kurs des Schiffes bestimmt. Je stärker das Ruderblatt eingeschlagen ist, je stärker wird eine Bremswirkung durch die
Anströmung des eingeschlagenen Ruderblattes erzeugt, die sich in einem erhöhten Treibstoffverbrauch auswirkt. Dabei kann gerade bei Sturmfahrt, bei der ein ständiger, starker Ruderausschlag zur Kurskorrektur notwendig ist, die Effizienz des Antriebes und somit auch die erreichte Fahrt durchs Wasser stark reduziert werden. 2. Dazu erfordert die Steuerung über ein Ruderblatt eine
Mindestgeschwindigkeit, nämlich ausreichende hydrodynamische
Anströmung des Ruderblattes. Folglich sind in engen und schwierigen Gewässern Grenzen der Manövrierfähigkeit des Schiffes gegeben. Dies kann beispielsweise bereits bei Begegnungen von großen
Containerschiffen auf Flüssen, beispielsweise der Elbe, oder in anderen schwierigen Naturgewässern, wie den norwegischen Fjorden oder den schwedischen Schären auch schon bei langsamer Fahrt durch das Wasser Schwierigkeiten bereiten. Herkömmliche Schiffe sind daher dort und vor allem im Hafenbecken sowie bei Anlege- und Ablegemanövern häufig auf Schlepphilfe angewiesen.
3. Bei Sturmfahrt kommen oft Wind und Seegang schräg von vorn oder schräg von achtern, wodurch das Schiff ständig aus dem Kurs gebracht wird, insbesondere, wenn die Wellenlänge etwa gleich groß ist, wie die Länge des Schiffes. Daher erfordert eine Fahrt mit herkömmlichen Schiffen unter diesen Bedingungen eine ständige Korrektur der
Ruderausschläge, die die Fahrt des Schiffes bremsen. Durch dieses Gieren bewegt sich das Schiff in einer Art Schlangenlinie, was wenig effektiv und ggf. auch für Passagiere unangenehm sein kann. 4. Bei Orkanfahrt sollte der Schiffskurs quer zu den Wellen gehalten werden, um einen seitlichen Wellenschlag und eine gefährliche Schlagseite des Schiffes zu vermeiden. Auch dies ist mit herkömmlich angetriebenen Schiffen nur bei ausreichender Maschinenkraft und stets richtiger
Ruderanlageneinstellung möglich. Bei zu geringer Maschinenleistung oder Ausfall der Maschine bzw. der Ruderanlage entstehen schnell gefährliche Situationen.
5. Ferner ist für den militärischen Einsatz ein herkömmlich aufgebautes
Schiff mit Hauptmaschine und einem Propellerantrieb bei einem Treffer im Heck des Schiffes schnell ausgeschaltet und nicht mehr manövrierfähig. Generell ist es daher wichtig für herkömmliche Schiffe, dass die
Manövrierfähigkeit erhalten bleibt. Der germanische Lloyd hat daher Vorschriften für redundante Vortriebs- und Ruderanlagen für Schiffe erstellt, die die
Redundanz der gesamten Komponenten beurteilt (Redundante Vortriebs- und Ruderanlagen, Klassifikations- und Bauvorschriften- Schiffstechnik - Seeschiffe. Germanischer Lloyd. Ausgabe 2000, URL:
http://rules.dnvql.com/docs/pdf/ql/maritimerules/ql i-1-14 d.pdf).
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Schiffsantrieb und -Steuerung anzugeben, die neben dem herkömmlichen Antrieb über Hauptmaschine und Steuerung über eine Ruderanlage ergänzende, auch bei Marschfahrt wirkende, redundante Antriebs- und Steuerungsmittel vorsieht.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren für Antrieb und Steuerung eines Schiffes mit einem Schiffsrumpf mit Bug und Heck, wobei das Schiff mit wenigstens einer Hauptmaschine zur Fahrt durchs Wasser angetrieben und von wenigstens einer Ruderanlage in seiner Fahrtrichtung gesteuert und redundant zur Hauptmaschine und zur Ruderanlage von Azimutantrieben nahe am Bug und am Heck angetrieben und gesteuert wird, wobei die Azimutantriebe parallel zur Hauptmaschine und Ruderanlage bei Marsch- und/oder Revierfahrt aktiv mitlaufen und mitsteuern.
Ferner wird die Aufgabe gelöst mit einem Schiff mit wenigstens einer
Hauptmaschine zur Fahrt durchs Wasser und wenigstens einer Ruderanlage zur Steuerung seiner Fahrtrichtung mit einem Schiffsrumpf mit Bug und Heck, wobei redundant zur Hauptmaschine und zur Ruderanlage Azimutantriebe nahe am Bug und am Heck vorgesehen sind, wobei eine gesonderte
Energieversorgungseinrichtung sowie eine gesonderte Steuereinheit für die Azimutantriebe vorgesehen sind. Dabei ist zentraler Gedanke, dass das gesamte Antriebs- und Steuerungssystem zweifach, also mit dem theoretisch höchsten Maß an Redundanz, vorhanden ist und dass sich daher gravierende
Zwischenfälle und Unfälle vermeiden lassen. Es liegt also ein vollständig redundantes System neben dem herkömmlichen Antriebssystem mit
Hauptmaschine und Ruderanlage vor, nämlich ein gesondert versorgtes und angesteuertes System aus Azimutantrieben, die stets auch bei Marsch- und/oder Revierfahrt mitlaufen und das Schiff im Antrieb und in seiner Steuerung unterstützen. Bei Ausfall einer der beiden redundanten Antriebsanlagen kann das Schiff noch mit geringfügig verringerter Geschwindigkeit weiterfahren und voll manövrierfähig bleiben.
Durch die zusätzlichen Azimutantriebe nahe am Bug und am Heck des
Schiffsrumpfes stehen redundante Antriebs- und Steuermöglichkeiten für das Schiff zur Verfügung, die bei entsprechend autarker Ausgestaltung der
Versorgung und Ansteuerung auch bei Ausfall der Hauptmaschine zur Verfügung stehen. Dabei laufen diese Azimutantriebe auch während der normalen Marsch oder Revierfahrt des Schiffes mit und unterstützen den Vortrieb des Schiffes.
Wird das Schiff nun langsamer, können die mitlaufenden Azimutantriebe aktiv in die Richtungssteuerung eingreifen und die Ruderanlage unterstützen oder bei noch langsamerer Fahrt oder Stillstand, bei der keine Anströmung oder keine ausreichende Anströmung am Ruderblatt anliegt, ersetzen. Ferner ist bei Ausfall der Hauptmaschine oder der Ruderanlage stets eine ausreichende
Manövrierfähigkeit und/oder Weiterfahrt mit verminderter Geschwindigkeit allein durch Antrieb aus den Azimutantrieben und entsprechende Steuerung der Fahrtrichtung durch die Azimutantriebe möglich. Die Manövrierfähigkeit bei Anlege- oder Ablegemanövern ist durch die Verteilung der Azimutantriebe nahe am Bug und am Heck bestens gegeben. Eine gesonderte Vorsehung eines sogenannten Bugstrahlruders ist in diesem Falle nicht erforderlich, da der Azimutantrieb bzw. die Azimutantriebe, die nahe am Bug angeordnet sind, diese Funktion übernehmen und variabel von Seitwärtsfahrt durch Drehen des
Azimutantriebes auf Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt übergehen können. Die bei herkömmlich angetriebenen Schiffen mit Heckschraube und unterstützendem Bugstrahlruder gefürchtete fehlende Manövrierfähigkeit in einem
Übergangsbereich zwischen nahezu Stillstand und ausreichender Vorwärts- (oder Rückswärts-) fahrt, bei der der Bugstrahlruderkanal nicht mehr anströmbar ist, entfällt entsprechend.
Dadurch, dass vier Azimutantriebe, nämlich zwei nahe am Bug als
Bugazimutantriebe und zwei nahe am Heck als Heckazimutantriebe vorgesehen sind, kann die Antriebsleistung für diese Vortriebsart auf vier gleichartige Maschinen verteilt werden. In bevorzugter Ausgestaltung werden die
Azimutantriebe voneinander autark angesteuert und versorgt, um die Redundanz der Antriebssysteme zu vergrößern und einen Totalausfall praktisch unmöglich zu machen.
Wenn die zwei Bugazimutantriebe und die zwei Heckazimutantriebe jeweils steuerbord und backbord der Mitschiffslinie voneinander über die Breite des Schiffrumpfes weit beabstandet angeordnet sind, können die Azimutantriebe bei Vorwärtsfahrt (oder Rückwärtsfahrt) gleichzeitig ein leichtes Drehmoment um die Gierachse auf das Schiff übertragen und somit eine Rudereinstellung bei Marschfahrt beispielsweise zum Ausgleich von Windlasten oder
Wellenbewegungen (Orkanfahrt) ausgleichen, ohne dass ein Ausschlag des Ruderblattes der Ruderanlage erforderlich ist. Für eine Rechtskurve brauchen somit die backbordseitigen Azimutantriebe nur etwas schneller laufen als die steuerbordseitigen.
Dabei ist ein geeigneter Azimutantrieb ein Pod-Antrieb, ein Ruderpropeller, ein drehbarer Wasserstrahlantrieb oder ein Zykloid-Propeller. Dabei sind besonders elektrisch angetriebene, beispielsweise die Azipodantriebe von ABB, bevorzugt, da sie einen relativ kleinen Elektromotor in einer zigarrenförmigen Gondel unter Wasser aufweisen, also nur einen geringen Strömungswiderstand bilden und zudem weitgehend wartungsfrei sind. Die elektrische Energie wird dann beispielsweise durch eine bevorzugt ergänzende zweite Hauptmaschine mit angesetztem Generator oder dergleichen erzeugt. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
beiliegenden Zeichnung detailliert beschrieben.
Darin zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Schiff in Draufsicht mit den Azimutantrieben
In Fig. 1 ist ein Seeschiff 1 mit einem üblichen langgestreckten Schiffsrumpf 10 in Draufsicht dargestellt.
In der in Fig. 1 dargestellten Draufsicht, zeigt die normale Vorwärtsfahrt in Zeichenebene nach oben. Entsprechend ist der vordere Bereich (oben in Fig. 1) des Schiffsrumpfes der Bug 1 und das in Fig. 1 untere Ende des
Schiffsrumpfes 10 das Heck 12. Das Schiff 1 ist symmetrisch zur
Mitschiffslinie 13 ausgebildet, die in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist.
Auf der Mitschiffslinie 13 liegt eine Hauptmaschine 2, die meist einen
Schiffsdiesel enthält, der auf eine Welle 21 wirkt, auf der am abwärtigen Ende im Bereich des Hecks 12 des Schiffes 1 der Schiffspropeller 22 für den
herkömmlichen Antrieb des Schiffes 1 angeordnet ist.
In Fahrtrichtung hinter dem Schiffspropeller 22 ist eine Ruderanlage 3 bestehend aus einem um einen Ruderschaft 31 auslenkbaren Ruderblatt 30. Auf der in Fig. 1 schematisch dargestellten Fahrsituation ist das Ruder leicht nach links (Backbord) von der Mitschiffslinie 13 ausgelenkt, so dass das Schiff bei
Vorwärtsfahrt einen weiten Bogen über Backbord (Linksdrehung) fahren würde.
Neben der Hauptmaschine 2 und Ruderanlage 3 sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ergänzende Azimutantriebe 4 vorgesehen. Dabei handelt es sich um insgesamt vier Azimutantriebe 4, nämlich zwei Antriebe am Heck als Steuerbordheckazimutantrieb 41 und Backbordheckazimutantrieb 42 sowie zwei Azimutantriebe im Bereich des Bugs 11 als Steuerbordbugazimutantrieb 43 und Backbordbugazimutantrieb 44. Jeder Azimutantrieb 4 weist eine ellipsoidförmige Gondel 45 auf, in der der Antriebsmotor, beispielsweise ein Elektromotor untergebracht ist. An der Gondel 45 ist ein Gondelpropeller 46 angesetzt, der von dem in der Gondel 45 untergebrachten Motor drehangetrieben wird. Ferner ist der Azimutantrieb 4 um eine vertikale Achse drehbar ausgestaltet, wie dies der schematisch dargestellte Drehbereich 47 visualisiert.
Diese vier Azimutantriebe 41-44 sind also um ihre Hochachse (Vertikalachse) vollständig um 360° drehbar. Somit kann die Richtung des Vortriebes und zusätzlich die Antriebskraft, also der Vortrieb in der jeweils gewählten Richtung einzeln gesteuert werden. Jede Gondel 45 kann also vorwärts, rückwärts oder seitwärts nach Steuerbord oder Backbord oder auch in allen dazwischen liegenden Richtungen eingestellt und einen individuellen Vortrieb leisten. Dabei arbeiten die vier Azimutantriebe 41-44 bevorzugt völlig autark voneinander, d. h., das sämtliche Aggregate, die zur Steuerung und Antrieb jedes der
Azimutantriebe 41-44 erforderlich sind, also Elektronik, Steuerung und
Versorgung vom übrigen Schiff und untereinander getrennt ausgeführt sind.
Darüber übergeordnet wird eine Steuerungselektronik zur Verfügung gestellt, die sowohl die Hauptmaschine 2, die Ruderanlage 3 als auch die vier
Azimutantriebe 4 in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt steuert. Sollte jedoch diese Steuerung oder ein anderes wichtiges Aggregat ausfallen, können die redundant ausgebildeten Azimutantriebe 4 unabhängig von der
Hauptmaschine 2 und/oder der Ruderanlage 3 betrieben werden und somit die Manövrierfähigkeit und sogar eine weitere (ggf. verminderte) Marschfahrt ermöglichen. In der bevorzugten Ausgestaltung ist es auch möglich, dass bei weiterem Ausfall beispielsweise einer oder zweier Azimutantriebe 4 die übrigen Azimutantriebe 4 zumindest die Manövrierfähigkeit des Schiffes 1
aufrechterhalten.
Mit dem Antriebssystem und -verfahren kann somit das Schiff 1 bei normaler Marschfahrt so angesteuert werden, dass ein kraftbetätigter Ausschlag des Ruderblattes 30 unterbleiben kann, da über die Azimutantriebe 4 ergänzend zum Vortrieb der Hauptmaschine 2 eine Richtungskorrektur durch Einstellung der Azimutantriebe 4 ermöglicht werden kann. Laufen beispielsweise die
Steuerbordazumitantriebe 41 , 43 mit höherer Drehzahl als die
Backbordazimutantriebe 42, 44, wird das Schiff 1 einen weiten Bogen über Backbord (Linkskurve) ausführen.
Entscheidend ist, dass sowohl das herkömmliche Antriebssystem bestehend aus Hauptmaschine 2 und Ruderanlage 3 wie auch das ergänzende Antriebs- und Steuersystem bestehend aus den hier dargestellten vier Azimutantrieben 4 in Marsch- und/oder Revierfahrt stets mitlaufen und somit den Vortrieb sowie die Manövrierfähigkeit des Schiffes unterstützen. Bei einem Ausfall einer dieser beiden vollständig redundanten Systeme setzt das Schiff seine Fahrt mit dem verbleibenden System fort und kann somit mit vielleicht leicht verringerter Fahrgeschwindigkeit gleichwohl seinen Zielhafen bzw. den nächsten Hafen erreichen und bleibt dabei voll manövrierfähig, also auch steuerfähig. Dafür ist im Schiffsrumpf 10 eine gesonderte Energieversorgungseinrichtung 5, hier mit einer ergänzenden Maschine 51 und einem Generator 52 mit Versorgungsleitung 53 vorgesehen. Diese Versorgungsleitung 53 führt zu einer Steuereinheit 6, von der Wirkleitungen 61 zu den vier Azimutantrieben 4 führen. Die Wrkleitungen 61 übertragen die elektrische Energie zu den Azimutantrieben 4 sowie die
Stellgrößen zu deren entsprechender Winkelposition, um das Schiff
entsprechend steuern zu können.
Alternativ zur hier dargestellten Energieversorgungseinrichtung 5 mit einer ergänzenden Maschine 51 und Generator 52 könnte diese
Energieversorgungseinrichtung 5 auch eine Brennstoffzelle oder eine
entsprechend leistungsfähige Batterie sein, so dass ein ausreichend langer autarker Betrieb von dieser Energieversorgungseinrichtung 5 für die vier Azimutantriebe 4 gewährleistet ist.
Ferner verbessert sich die Manövrierfähigkeit bei Langsamfahrt oder Stillstand des Schiffes 1 erheblich, da die vier Azimutantriebe 4 stets mitlaufen und somit auch bei sehr langsamer Fahrt, bei der eine Ruderwirkung an dem Ruderblatt 30 der Ruderanlage 3 nicht mehr gewährleistet werden kann (Strömungsabriss), stets wirksam sind. Somit kann die nötige Manövrierfähigkeit durch Ansteuern der Azimutantriebe 4 erhalten werden. Damit ist es möglich, dass derartig ausgestattete Schiffe schwierige Manöver in engen Fahrwassern ausführen können, ohne dass gesonderte Schlepperhilfe erforderlich ist. Insbesondere können Anlege- und Ablegemanöver auch ohne Schlepperhilfe ausgeführt werden.
Ferner können die Azimutantriebe 4 die Schiffsbewegung vergleichmäßigen und insbesondere das Gieren im schweren Seegang deutlich verringern.
Entsprechend kann das Schiff auch bei Orkanfahrt leichter auf Kurs gehalten und quer zu den Wellen 21 eingestellt werden.
Insgesamt liefern die zusätzlichen Azimutantriebe 4, somit eine verbesserte Manövrierfähigkeit des Schiffes bei gleichzeitiger Bereitstellung des redundanten Antriebes und Steuerungssystems, so dass auch bei Ausfall der
Hauptmaschine 2 oder auch Ausfall einer einzelnen Gondel 45 stets die
Manövrierfähigkeit und gar eine Fortsetzung der Fahrt möglich ist.
Für Sondereinsätze und beispielsweise auch für militärische Zwecke ist zudem die präzise Manövrierfähigkeit und die hohe Redundanz ein deutliches
Sicherheitsplus.
Es ist dabei zu berücksichtigen, dass die zusätzlichen im hier dargestellten Ausführungsbeispiel vier Azimutantriebe 4 beträchtliche Kosten verursachen, die sich jedoch durch erhebliche Vorteile amortisieren können, insbesondere durch Treibstoffersparnisse bei normaler Marschfahrt wegen fehlender Bremswirkung durch die Ruderanlage 3, den Einsparen von Schlepperhilfe beim An- und Ablegen sowie Drehen des Schiffes und bei schwieriger Revierfahrt; die raschere und präzisere Geradeausfahrt durch vermindertes Gieren; die höhere Sicherheit bei Orkanfahrt und in schwierigen Gewässern insbesondere bei Passagier- bzw. Kreuzfahrtschiffen sowie Schiffen mit gefährlicher Ladung. Zudem ist davon auszugehen, dass das hier vorgestellte System den Redundanzgrad 3 des Germanischen Lloyd erreichen kann, wie sich aus den einschlägigen
Klassifikations- und Bauvorschriften zur Schiffstechnik ergibt.
Mit diesem System lassen sich Unfälle von Schiffen bei Ausfall der Ruderanlage oder der Hauptmaschine vermeiden, indem das Schiff nach Ausfall von Ruder (oder Antrieb) durch die vier Propellergondeln manövrierfähig bleibt. Auf lange Sicht wäre es denkbar, dass die Behörden (Germanischer Lloyd) speziell für Öltanker und Schiffe mit Gefahrgut ein zweites Antriebs- und Steuerungssystem vorschreiben.
Ferner könnte ein so ausgestattetes Schiff auf der Stelle drehen, beispielsweise vor der Rückfahrt nach dem Löschen. Bei 400 Meter langen Containerschiffen muss beispielsweise im Hamburger Hafenbecken sehr präzise manövriert werden. Bei stark ablandigem Wind haben Schiffe, die weit aus dem Wasser ragen und daher eine große Segelfläche bieten, Schwierigkeiten beim Anlegen. Somit kann nicht nur der Bug zur Pier gedreht werden wie mit dem
Bugstrahlruder, sondern ebenso das Heck, oder das ganze Schiff kann mühelos quer zur gewöhnlichen Fahrtrichtung verschoben werden. Kriegsschiffe sind darauf angewiesen, ohne Festmacherboot und ohne Hilfe von Land (Legen der Trossen und die Poller) an der Pier anzulegen. Dies würde bedeutend erleichtert.
Bei einem Manöver des letzten Augenblicks, wenn eine Kollision zwischen zwei Seeschiffen droht, weil das ausweichpflichtige Schiff nicht reagiert, muss das nicht ausweichpflichtige Schiff (der Kurshalter) versuchen, das eigene Schiff in die gleiche Fahrtrichtung und parallel zum anderen Schiff zu bringen. Hier kommt es also ganz auf die Wendigkeit an. Durch das anmeldungsgemäße System kann eine scharfe Linkskurve eingeleitet werden, wenn beide Schraubengondeln vorn volle Kraft nach Backbord und die beiden Gondeln hinten volle Fahrt nach Steuerbord geben. Entsprechendes gilt für die Rechtskurve. Je nach Situation kann auch ein scharfer Notstopp eingeleitet werden, indem die Hauptmaschine und alle vier Gondeln volle Fahrt rückwärts geben. Bei einer Probefahrt können der sehr enge Wendekreis und die kurze Haltestrecke vorgeführt werden.
Die Neigung zum Gieren (Drehen um die Hochachse nach Backbord oder Steuerbord) ist bei den einzelnen Schiffen je nach Bauart recht unterschiedlich. Das anmeldungsgemäße System wäre besonders interessant für Schiffe mit geringer Gierstabilität, weil Kursabweichungen sich von Hand oder automatisiert leicht korrigieren lassen.
Bezugszeichenliste
1 Schiff, Seeschiff
10 Schiffsrumpf
11 Bug
12 Heck
13 Mitschiffslinie
2 Hauptmaschine
21 Welle
22 Schiffspropeller
3 Ruderanlage
30 Ruderblatt
31 Ruderschaft
4 Azimutantrieb
41 Steuerbordheckazimutantrieb
42 Backbordheckazimutantrieb
43 Steuerbordbugazimutantrieb 44 Backbordbugazimutantrieb
45 Gondel
46 Gondelpropeller
47 Drehbereich 5 Energieversorgungseinrichtung
51 ergänzende Maschine
52 Generator
53 Versorgungsleitung 6 Steuereinheit
61 Wirkleitung

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren für Antrieb und Steuerung eines Schiffes (1) mit einem
Schiffsrumpf (10) mit Bug (11) und Heck (12), wobei das Schiff (1) mit wenigstens einer Hauptmaschine (2) zur Fahrt durchs Wasser angetrieben und von wenigstens einer Ruderanlage (3) in seiner Fahrtrichtung gesteuert wird und das Schiff (1) redundant zur Hauptmaschine (2) und zur Ruderanlage (3) von Azimutantrieben (4) nahe am Bug (11) und am Heck (12) angetrieben und gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Azimutantriebe (4) parallel zur Hauptmaschine (2) und Ruderanlage (3) bei Marsch- und/oder Revierfahrt aktiv mitlaufen und mitsteuern.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Azimutantriebe (4) bei langsamer Fahrt durchs Wasser oder Stillstand die Manövrierfähigkeit des Schiffes (1) erhalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Azimutantriebe (4) autark von der Hauptmaschine (2) und der Ruderanlage (3) angesteuert und versorgt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Azimutantriebe (4) voneinander autark angesteuert und versorgt werden.
5. Schiff (1) mit wenigstens einer Hauptmaschine (2) zur Fahrt durchs Wasser und wenigstens einer Ruderanlage (3) zur Steuerung seiner Fahrtrichtung mit einem Schiffsrumpf (10) mit Bug (11) und
Heck (12), wobei redundant zur Hauptmaschine (2) und zur
Ruderanlage (3) Azimutantriebe (4) nahe am Bug (11) und am
Heck (12) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine gesonderte Energieversorgungseinrichtung sowie eine gesonderte Steuereinheit für die Azimutantriebe (4) vorgesehen sind.
6. Schiff (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier
Azimutantriebe (4), nämlich zwei nahe am Bug (11) als
Bugazimutantriebe und zwei nahe am Heck (12) als
Heckazimutantriebe vorgesehen sind.
7. Schiff (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Bugazimutantriebe und die zwei Heckazimutantriebe jeweils steuerbord und backbord der Mitschiffslinie (13) voneinander über die Breite des Schiffrumpfes (10) weit beabstandet angeordnet sind.
8. Schiff (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Azimutantrieb (4) ein Pod-Antrieb, ein Ruderpropeller, ein drehbarer Wasserstrahlantrieb oder ein Zykloid- Propeller ist.
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