Elektrisch angetriebener Schiffspropeller mit Permanenterregung in dem an den Flügeln befestigten Mantelring

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebenen Propeller für Wasserfahrzeuge mit dem Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1. Es sind Motorpropeller bekannt, bei denen der Propeller in einer Düse läuft, die um den Umfang verteilt die Statorwicklung aufnimmt. Die Flügelenden des Propellers sind über eine Gurtung miteinander verbunden. In die Gurtung sind, ebenfalls über dem Umfang verteilt, Permanentmagnete zur Erregung des Motors eingesetzt. Ein derartiger Motorpropeller ist in der DE-Anmeldung P 32 46 730.3 beschrieben und bringt eine wesentliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber Antrieben mit sich, die von der Propellernabe angetrieben werden (vergl. DE-C-688114 und DE-C-690 233, welche dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht).

[0002] Es ist weiterhin bekannt, daß eine Verminderung der Drehzahl eines Propellers auf beispielsweise 58 U/min bei einer Durchmesservergrößerung auf 9 m zu einer Wirkungsgradverbesserung von ca. 15 % führt (vergl. STG-Jahrbuch 1980, Seiten 130 ff). Wegen des bei Schiffen herkömmlicher Bauart gegebenen Konstruktionstiefganges ist eine Vergrößerung des Propellerdurchmessers auf optimale Werte meistens nicht möglich. Insbesondere sind dann Grenzen zu beachten, wenn das Schiff bestimmte Fahrtrouten mit vorgegebenen Wassertiefen befährt.

[0003] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der ein optimaler Propulsionsgütegrad bei maximalen Propellerabmessungen erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0004] Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0005] Die Anordnung nach der Erfindung bringt wesentliche Vorteile mit sich. Wird die Statorwicklung in das an den Motorpropeller angepaßte Hinterschiff gelegt, so ist eine maximale Durchmesserausnutzung des Propellers gegeben. Eine weitere Verbesserung der Effektivität kann erreicht werden, wenn die Schiffsaußenhaut, die bei einem Zwei-Schrauberschiff den Propellermotor mehr als 50 % umgibt, zu einem Tunnel ausgebildet wird. Dieser Teiltunnel kann durch einen Düsenring geschlossen werden. Durch Wegfall der Wellenhose und der Wellenleitung und entsprechende Ausgestaltung des Hinterschiffes wird eine gleichmässige Anströmung erzielt. Dadurch wird der Gesamtpropulsionsgütegrad gesteigert.

[0006] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Darstellung des Hecks eines Zweischraubenschiffes,

Figur 2 Ansicht der in das Heck integrierten Doppelschrauben,

Figur 3 Heckansicht bei einem Einschraubenschiff,

Figur 4 Seitenansicht des Motorpropellers als Radialfeld-Maschine,

Figur 5 Rotor- und Statorausführungen,

Figur 6 Seitenansicht des Propellers als Achsialfeld-Maschine mit Doppelrotor,

Figur 7 eine vergrößerte Darstellung des Doppelrotors aus Fig. 6 und

Figur 8 eine Variante für einen Radialfeld-Doppelrotor.

[0007] Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß die beiden Propeller 1 und 2 so in das Hinterschiff 3 eingesetzt sind, daß sie in einer tunnelartigen Ausnehmung 4 laufen. Die besondere Ausbildung des Hinterschiffes 3 in der Form eines flossenartigen Fortsatzes 5 des Kieles führt zu einer mehr als 50 % Eintunnelung der Propeller 1, 2. Zur vollständigen Umfassung der Propeller kann ein Teildüsenring 6 an die Teiltunnel eingefügt werden. Diese konstruktiv einfachere Form des Hinterschiffes 3 führt zu einer vergleichmäßigten Anströmung der Propeller 1, 2 und kann im günstigen Fall zu einer ca. 20 % Steigerung des Gesamtpropulsionsgütegrades führen.

[0008] Aus Fig. 2 ist noch deutlicher zu erkennen, daß die Propeller 1, 2 in das Hinterschiff 3 integriert sind. Die tunnelförmigen Ausnehmungen 4 werden durch die Düsenringe 6 ergänzt, so daß die Statorwicklungen gleichmäßig über den Umfang der Propeller verteilt werden können. Angedeutet sind die zur Halterung der Propellerwellen 7 dienenden Wellenböcke 8, die mit der Schiffshaut fest verbunden sind. Durch diese Ausbildung des Hinterschiffes wird selbst bei optimalen Propellerdurchmessern der Konstruktionstiefgang des Schiffes nicht überschritten.

[0009] Die Fig. und 4 zeigen das Heck eines Einschraubenschiffes. Der Propeller 10 läuft konstruktionsbedingt nur zu etwa 1/3 seines Umfangs in einem in das Hinterschiff 11 integrierten Tunnel 12, während ca. 2/3 von einem Düsenring 13 gebildet werden.

[0010] Die Lagerung der Propellerwelle 14 und die Aufnahme der Schubkräfte kann im feststehenden Teil 15 eines Halbschweberuders 16 erfolgen, alternativ auch in einem Steg zur Ruderhacke 17. Radialkräfte können durch Gelenkarme 18 aufgenommen werden.

[0011] Die Statorwicklung 19 ist, wie in Fig. 4 angedeutet, über den Tunnel 12 und den Düsenring 13 verteilt angeordnet. Die Erregung des Motors wird durch Permanentmagnete 20 erzeugt, die ebenfalls über den Umfang des Propellers in einer Gurtung 21 verteilt sind. Die Statorwicklung 19 wird zweckmässig von einem separaten Generator gespeist und mit einer Spannung entsprechend der Bordnetzspannung ausgelegt. Dadurch ist bei Ausfall der Hauptmaschine ein takehome-Betrieb über die Bordnetzgeneratoren und Umrichter möglich.

[0012] Um den Vorteil einer wirbelstromfreien Ablösung des Propellerstrahles hinter dem Propeller-Düsering 22 zu erhalten, wie Fig. 5a und 5b zeigen, wird die Schiffsaußenhaut örtlich hinter der Statorwicklung 23, aber vor dem Ende der stromlinienförmig ausgebildeten Propellergurtung 22 enden (Fig.5a).

[0013] Die Schiffsaußenhaut kann als Abrißkante oder Ablaufwulst 24, auch abnehmbar, gestaltet sein (Fig. 5b). Anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird diese Ausführung näher behandelt.

[0014] In Fig. 6 ist eine Variante gezeigt, bei der die Flügelenden des Propellers 25 mit einer Ringscheibe 26 verbunden sind. In die einander gegenüberliegenden Ringflächen sind Permanentmagnete 27, 28 über den Umfang verteilt eingelassen. Die Ringscheibe 26 läuft in einer Ringnut 29 des Teiltunnels und des Düsenringes, die entsprechend stärker in der Wandung ausgeführt sind. Der Rotor ist hier nach Art eines Achsialfeld-Doppelrotors ausgeführt. Zu beiden Seiten der Ringnut 29 sind die Statorwicklungen 30, 31 angeordnet.

[0015] Die Propellerwelle 32 ist sowohl am festen Teil 33 des Ruders als auch mittels Gelenkarmen 34 an der Schiffsaußenhaut gelagert, um die Schub-und Querkräfte aufzunehmen. Der Spalt zwischen Ringscheibe 26 und Ringnut 29 ist geflutet und am Eingang mit einer Grobdichtung 35 versehen, um Fremdkörper fernzuhalten.

[0016] Aus Fig. 7, die den in Fig. 6 kreisförmig umrandeten Teil vergrößert darstellt, geht hervor, daß die hintere Statorwicklung 31 in einem Ringwulst 36 angeordnet ist, der zur Herabsetzung des Wasserwiderstandes am Ende 37 stromlinienförmig ausläuft. Um die Wartung und Reparatur des Propellers zu erleichtern, ist der Ringwulst 36 nach achtern abnehmbar. Die Trennfuge kann dabei in der Mitte des Stegringes 38 verlaufen. In den Stegring können zur Wasserseite periphere Öffnungen 39 vorgesehen sein, um eine Spülung des gefluteten Ringspaltes sowie eine Kühlung des Motors zu gewährleisten.

[0017] Schließlich sind in einer weiteren Variante gemäß Fig. 8 Ringscheibe und Ringnut nach Fig. 6 durch zur Propellerachse parallele Ansätze L-förmig ausgebildet, wobei die elektrisch wirksamen Komponenten in die horizontalen Teile gelegt sind. Mit den Flügelenden des Propellers 40 ist wiederum eine Ringscheibe 41 verbunden, die allerdings einen horizontalen, zur Propellerachse parallelen Ansatz 42 erhält. Dieser weist auf einander gegenüberliegenden Flächen und verteilt über den Umfang Permanentmagnete 43, 44 auf. Die den L-förmigen Rotor, der hier als Radialfeld-Doppelrotor wirkt, aufnehmende Ringnut 45 im Teiltunnel des Hinterschiffes und im Düsenring weist in den den Rotormagneten gegenüberliegenden Flächen Statorwicklungen 46, 47 auf.

[0018] Die Flügelenden können dicht an die Innenwand des Tunnels bzw. Düsenringes herangeführt werden. Die den radialen Teil 41 des Rotors aufnehmende Ringnut kann dagegen relativ breit ausgeführt werden und erhält am Eingang wiederum eine Grobdichtung 48.

[0019] Die Statorwicklungen 46, 47 sind in einem mit dem Hinterschiff beispielsweise über Schraubenbolzen 49 verbundenen Ringwulst 50 gelegt. Dadurch wird Wartung und Reparatur des Propellers 40 erleichtert. Auch hier können Öffnungen 51 zur Wasserseite im Ringwulst vorgesehen werden.

Ansprüche

1. Elektrisch angetriebener Propeller für Wasserfahrzeuge mit Permanenterregung in einer die Propellerflügelenden verbindenden Gurtung und einer ortsfest angebrachten Statorwicklung, bei dem der Ringspalt zwischen Stator und Rotor geflutet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller (1, 10) zumindest teilweise in einem in des Schiffsheck integrierten Tunnel (4, 12) angeordnet ist, der durch einen Düsenring (6, 13) um den restlichen Umfang des Propellers geschlossen ist, wobei zur Lagerung der Propellerwelle (7, 14) Wellenböcke (8, 18) zur Schiffsaußenhaut und zur Ruderhacke (17) und- /oder eine Wellenaufnahme im feststehenden Teil (15) des Ruderblattes (16) dienen.

2. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz einer Radialfeldmaschine Ständerwicklung und die Permanentmagnete in der Propellergurtung in der Tunnel- und Düsenringwandung versenkt sind.

3. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (6, 13) als Teilkortdüse ausgebildet ist.

4. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das achterliche Ende von Tunnel (4, 12) und Düsenring (6, 13) vor der achterlichen Kante der Rotorgurtung (22) endet und als Abreißkante oder Wulst (24) ausgebildet ist.

5. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorgurtung stromlinienförmig ausgebildet ist.

6. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung von Tunnel und Düsenring eine radiale Ringnut (29) aufweist, in deren seitliche Begrenzungsflächen die Statorwicklungen (30. 31) eingesetzt sind, und daß der mit den Flügelenden verbundene Rotor als radiale Ringscheibe (26) in die Ringnut eingreift und mit den Statorwicklungen gegenüberliegenden Erregermagneten (27, 28) versehen ist.

7. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ringnut (29) und Ringscheibe (26) eine Grobdichtung (35) angeordnet ist.

8. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichet, daß die Ringnut (45) in der Tunnel- und Düsenringwandung und die mit ihr zusammenwirkende Ringscheibe (41) durch einen achsialen Ansatz (42) L-förmig ausgebildet sind, wobei Statorwicklungen (46, 47) und Erregermagnete (43, 44) im achsialen Teil einander gegenüberliegend angeordnet sind.

9. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der achsiale Ansatz (42) der Ringnut mit den einander gegenüberliegenden Statorwicklungen (46, 47) in einem als Wulstring (50) ausgebildeten Sauteil vorgesehen sind, der von achtern an das Schiffsheck anbringbar ist.

10. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wulstring (50) zur Herabsetzung des Wasserwiderstandes stromlinienförmig ausgebildet ist.

11. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (45) bzw. deren achsialer Ansatz (42) durch periphere Öffnungen (51) mit dem umgebenden Wasser verbunden ist.

12. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Statorwicklung (31) in einem wulstförmigen Bauteil (36) untergebracht ist, der abnehmbar mit dem Schiffsheck verbunden ist.

Claims

1. Electrically driven propeller for watercraft with permanent excitation in a flange connecting the propeller blade ends and a stationarily mounted stator winding, in which the annular gap between stator and rotor is flooded, characterized thereby, that the propeller (1, 10) is at least in part arranged in a tunnel (4, 12), which is integrated into the stern of the ship and closed by a nozzle ring (6, 13) around the remaining circumference of the propeller, wherein shaft struts (8, 18) to the outer skin of the ship and to the rudder heel (17) and/or a shaft receptacle in the fixed part (15) of the rudder blade (16) serve to bear the propeller shaft (7, 14).

2. Electrically driven propeller according to claim 1, characterized thereby, that in the case of the use of a radial field machine, the stator winding and the permanent magnets in the propeller flange are recessed into the wall of the tunnel and nozzle ring.

3. Electrically driven propeller according to claim 2, characterized thereby, that the nozzle ring (6, 13) is constructed as partial chord nozzle.

4. Electrically driven propeller according to claim 2, characterized thereby, that the astern end of tunnel (4, 12) and nozzle ring (6, 13) ends in front of the astern edge of the rotor flange (22) and is constructed as sharp edge or bead (24).

5. Electrically driven propeller according to claim 2, characterized thereby, that the rotor flange is constructed in streamline shape.

6. Electrically driven propeller according to claim 1, characterized thereby, that the inside wall of the tunnel and nozzle ring displays a radial annular groove (29), into the lateral boundary surfaces of which the stator windings (30, 31) are inserted, and that the rotor connected with the blade ends engages as radial annular disc (26) into the annular groove and is provided with the excitation magnets (27, 28) lying opposite the stator windings.

7. Electrically driven propeller according to claim 6, characterized thereby, that a coarse seal (35) is arranged between annular groove (29) and annular disc (26).

8. Electrically driven propeller according to claim 6, characterized thereby, that the annular groove (45) in the wall of the tunnel and nozzle ring and the annular disc (41) co-operating with it are constructed in L-shape by an axial projection (42), wherein stator windings (46, 47) and excitation magnets (43, 44) are arranged to lie one opposite the other in the axial part.

9. Electrically driven propeller according to claim 8, characterized thereby, that the axial projection (42) of the annular groove with the stator windings (46, 47) lying one opposite the other are provided in a component constructed as bead ring (50), which is mountable from astern at the stern of the ship.

10. Electrically driven propeller according to claim 9, characterized thereby, that the bead ring (50) is constructed in streamline shape to lower the water resistance.

11. Electrically driven propeller according to claim 6 and 8, characterized thereby, that the annular groove (45) or its axial projection (42) are connected through peripheral openings (51) with the surrounding water.

12. Electrically driven propeller according to claim 6, characterized thereby, that the rearward stator winding (31) is housed in a bead-shaped component (36), which is removably connected with the stern of the ship.

Revendications

1. Hélice entraînée électriquement pour navires avec excitation par aimant permanent dans une ceinture reliant les extrémités des pales et un enroulement statorique fixe, l'interstice annulaire entre stator et rotor étant noyé, ladite hélice étant caractérisée en ce qu'elle (1, 10) est logée au moins partiellement dans un tunnel (4, 12) intégré à la poupe et fermé par une tuyère (6, 13) sur le reste de la circonférence de l'hélice, la suspension de l'arbre d'hélice (7, 14) étant assurée par des supports (8, 18) sur le bordé extérieur et l'étambot (17) et/ou dans la partie fixe (15) du gouvernail (16).

2. Hélice entraînée électriquement selon revendication 1, caractérisée en ce que l'enroulement statorique et les aimants permanents sont incorporés à la ceinture de l'hélice et à la paroi du tunnel et de la tuyère en cas d'emploi d'une machine à champ radial.

3. Hélice entraînée électriquement selon revendication 2, caractérisée en ce que la tuyère (6, 13) est réalisée sous forme de carène partielle d'hélice.

4. Hélice entraînée électriquement selon revendication 2, caractérisée en ce que l'extrémité arrière du tunnel (4, 12) et de la tuyère (6, 13) se termine avant l'arête arrière de la ceinture (22) du rotor et est réalisée en arête de décollement ou bourrelet (24).

5. Hélice entraînée électriquement selon revendication 2, caractérisée en ce que la ceinture du rotor est profilée.

6. Hélice entraînée électriquement selon revendication 1, caractérisée en ce que la paroi intérieure du tunnel et de la tuyère présente une gorge annulaire radiale (29), dans les faces latérales de laquelle les enroulements statoriques (30, 31) sont logés ; et le rotor relié aux extrémités des pales pénètre sous forme d'un anneau radial (22) dans la gorge annulaire et comporte les aimants d'excitation (27, 28) en regard des enroulements statoriques.

7. Hélice entraînée électriquement selon revendication 6, caractérisée en ce qu'un joint d'étanchéité (35) est disposé entre la gorge annulaire (29) et l'anneau (26).

8. Hélice entraînée électriquement selon revendication 6, caractérisée en ce que la gorge annulaire (45) de la paroi du tunnel et de la tuyère, ainsi que l'anneau (41) interagissant avec cette dernière sont formés en L par un prolongement axial (42), les enroulements statoriques (46, 47) et les aimants d'excitation (43, 44) étant disposés en regard dans la partie axiale.

9. Hélice entraînée électriquement selon revendication 8, caractérisée en ce que le prolongement axial (42) de la gorge annulaire et les enroulements statoriques en regard (46, 47) sont logés dans une pièce réalisée sous forme de bourrelet annulaire (50) et se fixant par l'arrière sur la poupe.

10. Hélice entraînée électriquement selon revendication 9, caractérisée en ce que le bourrelet annulaire (50) est profilé pour réduire la résistance à l'eau.

11. Hélice entraînée électriquement selon revendication 6 et 8, caractérisée en ce que la gorge annulaire (45) et son prolongement axial (42) sont reliés par des ouvertures périphériques (51) à l'eau ambiante.

12. Hélice entraînée électriquement selon revendication 6, caractérisée en ce que l'enroulement statorique arrière (31) est logé dans une pièce (36) en forme de bourrelet, reliée à la poupe de façon amovible.

Zeichnung