Schiffsantriebe mit einem Motor, vorzugsweise einem Elektromotor, in einer Gondel unterhalb des Schiffes und mindestens einem von diesem Motor angetriebenen Propeller außerhalb des einen Gondelendes sind vorzugsweise für Schiffsgeschwindigkeiten ab 20 Knoten mit wirtschaftlichem Vorteil einzusetzen; sie werden allgemein als PoD-Antriebe bezeichnet. In dem Geschwindigkeitsbereich Ober 20 Knoten ist jedoch mit Propellerantrieben nur ein nicht optimaler Wirkungsgrad zu erzielen.
Häufig verwendete Schiffsantriebe mit mindestens einem Wasserstrahl, der aus dem das Schiff umgebenden Wasser gebildet wird, im Schiff mit Energie angereichert wird und als energiereicher Wasserstrahl das Schiff verläßt, um dieses anzutreiben, sind in Geschwindigkeitsbereichen über 35 Knoten effizient einzusetzen.
Ein Schiffsantrieb mit einer außerhalb des Rumpfes eines anzutreibenden Wasserfahrzeuges angeordneten Gondel, die mit dem Wasserfahrzeugrumpf verbunden ist und einen Elektromotor aufnimmt, der dem Antrieb von außerhalb der Gondel angeordneten Propellern dient, ist beispielsweise aus WO 98/19907 bekannt. Aus US 5,722,866 sind Schiffsantriebe bekannt, die ein düsenartiges Gehäuse außerhalb des Schiffsrumpfes einschließen, in dem sich ein motorgetriebener Propeller dreht, vor und hinter dem innerhalb des Gehäuses je eine aus schwenkbaren Leitschaufeln bestehende Leiteinrichtung angeordnet ist, wobei sich der Strömungskanal im Gehäuse vor dem Propeller zu diesem hin verengt, um die Zuströmung zum Propeller zu beschleunigen und sich der Strömungskanal hinter dem Propeller erweitert, um die Abströmung vom Propeller zum Strömungskanalauslaß hin zu verlangsamen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schiffsantrieb aufzuzeigen, der besonders im Geschwindigkeitsbereich von etwa 25 bis etwa 30 Knoten vorteilhaft einsetzbar ist.
Der Antrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gekennzeichnet. Der erfindungsgemäße Antrieb kann als Staumanteltriebwerk bezeichnet werden. Bei dieser erfindungsgemäßen Antriebsform ist eine ummantelte Strömungsmaschine mit zumindest einem axial oder diagonal durchströmten Rotor außerhalb des Schiffes angeordnet und mit dem Schiff in geeigneter Weise fest verbunden. Sie zeichnet sich durch kompakte Bauweise und einen hohen Wirkungsgrad bei höheren Geschwindigkeiten aus. Die Bauart der Strömungsmaschine eignet sich besonders auch für die Umsetzung als steuerbarer Antrieb.
Es handelt sich um eine Axial- oder Diagonalpumpe bestehend aus Laufrad (auch Impeller genannt) und Leitrad. Diese Pumpe ist mit einem als Düse ausgestalteten Gehäuse ummantelt. Das Problem bei hohen Geschwindigkeiten und niedrigen Tauchtiefen ist die extreme Kavitationsgefährdung von hochbelasteten Propellern. Beim erfindungsgemäßen Triebwerk wird im Düseneintritt Strömung aufgestaut, praktisch das Druckniveau extrem erhöht, um die Unterschreitung des Dampfdrucks weitestgehend zu unterbinden.
Das bedeutet, dass die Strömung vorteilhafterweise durch die Formgebung der Ummantelung (Wölbung) und/oder die Querschnittsverteilung bis zum Laufrad hin verzögert wird. Es kann von einem Eintrittsdiffusor gesprochen werden. Das anschließende Leitrad lenkt die tangentialen Geschwindigkeitsanteile des Laufradstrahles um (Entdrallung). Im weiteren Düsenverlauf wird die Strömung auf die Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt, die u.a. die Höhe der Einsatzgeschwindigkeit des Systems bestimmt.
Für die Dimensionierung des Systems wird die Laufradgröße von den geforderten Leistungsdaten und den Kavitationsbedingungen bestimmt. Bei gleichem Schub muß ein kleineres Laufrad eine größere Drehzahl haben, welche jedoch durch den gegebenen Zulaufdruck begrenzt ist. Dadurch wird auch der Minimaldurchmesser des Laufrades gegeben. Der Laufraddurchmesser bestimmt die Hauptabmessungen des Triebwerkes und diese wiederum sind neben der Form bestimmend für den Widerstand des Antriebes, um den die Vortriebskraft vermindert wird.
Das notwendige Nabenverhältnis (das ist das Verhältnis des Laufraddurchmessers zum Nabendurchmesser) von etwa 0,5 führt dazu, dass in der Nabe ein Elektromotor verwendet werden kann. Dieser sollte dabei eine große Leistungsdichte besitzen, was insbesondere durch einen permanenterregten Synchronmotor in Longitudinalflußbauweise verwirklicht werden kann. Die im Motor entstehende Verlustwärme kann direkt über die Nabenoberfläche ins Wasser abgegeben werden, wobei eine Bauweise mit eingeschrumpftem Motor sehr vorteilhaft ist.
Von besonderer Problematik ist die Kennlinie unter Berücksichtigung folgender Kriterien.
Schmales Gebiet optimalen Wirkungsgrades, starker Abfall des Wirkungsgrades außerhalb des Betriebspunktes;
Anfahren ist bei großen Einheiten praktisch nicht möglich, weil der erforderliche Staudruck und/oder der Schub fehlt. Bei konventionellen Waterjets wird das Problem dadurch gelöst, dass die eigentlichen Antriebe durch kleinere Antriebe zum Anfahren ergänzt werden.
Bei Anwendungen mit variablem Fahrregime, wie unterschiedliche Beladungszustände und/oder unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten, kommt es beim Propeller zu anderen Anströmwinkeln am Blatt und zu Verschiebungen im Freifahrtdiagramm in der Regel zu ungünstigeren Wirkungsgraden. Bei der Pumpe führt das zu Verschiebungen des Arbeitspunktes. Die sogenannte Drosselkurve ist die Kennlinie der Pumpe. Mit zunehmendem Volumenstrom (Durchsatz) sinkt die spezifische Stutzenarbeit (Förderhöhe). Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit nimmt der Widerstand des anzutreibenden Schiffes zu. Die Austrittsgeschwindigkeit muß ebenfalls zunehmen. Die Verschiebung des Pumpenarbeitspunktes wirkt damit dem Bedarf entgegen.
Wichtig ist in der Betrachtung des Problems die Umsetzung der gesamten spezifischen Stutzenarbeit in Vortriebsschub. Die Fahrgeschwindigkeit liefert dabei eine zusätzliche Druckhöhe, die sich mit der Förderhöhe der Pumpe superpositioniert. Durch entsprechende Gestaltung des Eintritts (Ansaugbereich) soll ein möglichst hoher Anteil dieser "Geschwindigkeitsdruckhöhe" ausgenutzt werden.
Um über den gesamten Geschwindigkeits- und Belastungsbereich eines Schiffes einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten, ist es erforderlich, die Kennlinie der Pumpe anzupassen, indem der Austrittsquerschnitt jeweils den geschwindigkeitsabhängig unterschiedlichen Druckhöhen angepaßt wird.
Die Gestaltung des Einlaufs bei konventionellen Wasserstrahlantrieben (im Rumpf integriert) führt zu Problemen hinsichtlich der Umlenkungen und dem Vorhandensein einer Antriebswelle im Saugkanal. Ablösungen und Kavitation sind die Folgen, die insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen zu Vibrationen, Geräuschen und Schubabfall führen. Es ist üblich, diese beim Anfahren wichtigen Bereiche der Kennlinie zu sperren.
Im Falle des erfindungsgemäßen Antriebes ist eine weitgehend freie Zuströmung realisiert, weil der Antrieb außerhalb des Schiffsrumpfes ohne die Strömung störende Teile auskommt.
Die konventionellen Waterjets saugen aus der Grenzschicht an. Der erfindungsgemäße Antrieb kann grundsätzlich tiefer positioniert werden, um eine höhere Geschwindigkeitshöhe verarbeiten zu können. Mehr Bauteile und größere Oberflächen bedeuten allerdings auch einen höheren Widerstand, was insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten zu Buche schlägt.
Durch verstellbare Schaufeln des Laufrades und/oder Leitrades sowie einer Vordralleinrichtung mit verstellbaren Schaufeln kann die Kennlinie des Systems verändert werden. Eine Vordralleinrichtung macht insbesondere Sinn, wenn gleichzeitig eine verstellbare Düsenaustrittsfläche vorgesehen wird.
Durch mehrstufige Systeme mit gegenläufigen Laufrädern wird die spezifische Stutzenarbeit und damit die Belastung auf mehrere Stufen aufgeteilt. Damit erhöht sich die Kavitationssicherheit, weil die einzelne Stufe weniger belastet ist. Der Restdrall wird bereits in der zweiten Stufe durch Gegenlauf nahezu vollständig abgebaut sein. Das verlustbehaftete Leitrad wird in diesem Fall nicht benötigt.
Es bieten sich verschiedene Konzepte an, den Elektromotor zu integrieren. Er kann derart gestaltet sein, dass das Außenteil des E-Motors hier den umlaufenden Rotor darstellt, der mit einem Laufrad verbunden ist. Das Innenteil des E-Motors steht fest (Stator des E-Motors) und ist die Achse, auf dem der Rotor gelagert ist (Wälzlager, Gleitlager). Diese Achse kann vor und nach dem Rotor mit der Düse (dem Düseninnenmantel) über strömungsgünstig geformte Streben verbunden werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, diese Streben als Leiteinrichtungen (Vorleit- und Leitrad) zu gestalten, um Strömungsverluste zu minimieren.
Der Elektromotor kann aber auch so integriert sein, dass sein Außenteil steht (Stator, wie üblich) und das Innenteil (Rotor) sich dreht. Der Stator wird wieder über Streben mit dem Antrieb verbunden, die vorteilhafterweise das Leitrad darstellen. Das Laufrad ist mit dem Rotor verbunden und kann sich über den Stator erstrecken, so dass der Motor länger bauen kann. Die Lagerung kann derart gestaltet sein, dass sie sich vollständig hinter oder vor dem Laufrad befindet (fliegende Lagerung) oder dass das Laufrad vor und hinter dem Laufrad gelagert ist (Gabellagerung).
Die elektrische Energie, Signale und Kühlmedien können in den Flügeln (hohl) eines Leitrades zugeführt werden.
Die Verstelleinrichtung der Leitflügel kann derart sein, dass der Leitflügel mehrteilig ist mit feststehenden Teilen und einem oder mehreren beweglichen Teilen. Die Kraftübertragung (Schub, Torsionsmoment) würde dann über die feststehenden Teile erfolgen und die Lagerung der zu verstellenden Teile nicht belasten.
Da der Düsenaußenmantel zur Minimierung des Widerstandes mit möglichst geringem Durchmesser ausgeführt werden sollte, kann die Verstelleinrichtung der Leitflügel in die Nabe verlegt werden, wo ausreichend Platz besteht. Die Verstellung kann über Hebel hydraulisch, pneumatich oder elektrisch erfolgen. Die Zuführung der notwendigen Energie kann innerhalb der Leitflügel erfolgen.
Die Verstellung der Düse kann vorteilhaft derart gelöst werden, dass aus der Nabenkontur ein Profilkörper axial in seiner Position derart verstellt wird, dass sich der Düsenaustrittsquerschnitt verändert. Eine Teleskopverkleidung verhindert dabei eine Ablösung oder Wirbel der Strömung.
Eine Steuerung durch Ablenkung des Schubes an einer Platte im Düsenaustritt ist einfach aber bei kleinen Relativgeschwindigkeiten nicht sehr wirkungsvoll. Das Schwenken des Düsenaustritts ist nahezu gleichbedeutend mit dem Richten des Gesamtschubes. Das Schwenken des gesamten Antriebes ist für niedrige Geschwindigkeiten die beste Lösung. Zum Kurshalten bei höheren Geschwindigkeiten ist eine eingeschränkte Schwenkbarkeit des Gesaintantriebes, kombiniert mit Zusatzflaps (die am Antrieb befestigt sind und durch ihre Schwenkbarkeit ein Steuern bei kleinen Winkeln ermöglichen, ohne den Antrieb zu schwenken), einseitig kontrolliertem Strömungsabriß (Einbringung von Luft oder elektromagnetischer Energie) oder einfacher Düsenklappe eine Lösung.
Zur Reduzierung des Zusatzwiderstandes des Antriebs selbst muß eine Formoptimierung erfolgen. Weiterhin ist das Einbringen von Luft zur Reduzierung der Oberflächenreibung am Außenmantel eine Möglichkeit.
Zusammenfassend kann insoweit ausgeführt werden, dass der erfindungsgemäße Schiffsantrieb aus einer außerhalb des Rumpfes angeordneten Antriebseinheit besteht, die sich aus einer Gondel mit integriertem Elektromotor bildet, der ein bzw. mehrere nacheinander geschaltete Laufräder (Pumpenlaufräder) in gleich- oder gegenläufiger Drehrichtung direkt antreibt, wobei nach, vor oder zwischen dem Laufrad oder den Laufrädern ein Leitrad angeordnet ist sowie Laufrad und Leiträder durch ein Gehäuse ummantelt sind, dessen Querschnitt sich vom Eintritt bis zur Ebene des ersten Laufrades stetig erweitert und sich anschließend auf einen einstellbaren Querschnitt verändert, die zusammen mit einem einstellbaren Vorleitrad im Ansaugteil eine dynamische Kennlinie ermöglicht, die eine Anpassung an die unterschiedlichsten Betriebsbedingungen ermöglicht.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Wasserstrahlantrieb als Mittellängsschnitt dargestellt, Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus Figur 1 in größerer Darstellung und Fig. 3 ist die Erläuterung einer gegenüber Fig. 1 anderen Ausführungsform.
Der gesamte Antrieb ist in einem Gehäuse 1 angeordnet, an dessen durch eine Leiteinrichtung 2 gekennzeichneten Einlaß sich ein Abschnitt 3 anschließt, dessen Querschnitt sich bis zum Laufrad 4, das gegebenenfalls das erste von mehreren Laufrädern ist, stetig erweitert. An diesen Abschnitt 3 des Gehäuses 1 schließt sich ein Abschnitt 5 an, dessen Querschnitt veränderbar ist, grundsätzlich jedoch zum Auslaß 6 hin kleiner wird. Zwischen den Abschnitten 3 und 5 ist ein Befestigungsflansch 7 dem Gehäuse 1 fest zugeordnet, mit dem der gesamte Antrieb außen am Schiffsrumpf 100 zu befestigen ist. Gegebenenfalls kann die Befestigung am Schiffsrumpf derart sein, dass der gesamte Antrieb um die vertikale Längsachse 8 des Befestigungsflansches 7 um bis zu 360° schwenkbar ist, sodass er nicht nur dem Vortrieb, sondern auch der Steuerung (Bestimmung der Fahrtrichtung) des Schiffes dienen kann. Die Längsachse 8 des Flansches 7 ist senkrecht zur Längsachse 9 des Gehäuses 1 gerichtet. Um die Gehäuselängsachse 9 drehbar ist das gegebenenfalls einzige Laufrad 4 im Gehäuse 1 angeordnet. Der Antrieb des Laufrades 4 erfolgt mit einem Elektromotor, dessen Stator 11 innen, dessen Rotor 12 außen liegt. Vor und hinter dem Laufrad 4 bzw. dem Motor 11, 12 ist der Rotor 12 in Lagern 13, 14 um seine Längsachse 9 drehbar gelagert. Dem Laufrad 4 vorgeschaltet ist die Leitvorrichtung 2, die mittels einer Verstelleinrichtung 15 verstellbar ist. Vor der Leitvorrichtung 2 ist die strömungsgünstig ausgebildete Nabenkappe 16 angeordnet. Ein mit einer Verstelleinrichtung 17 verstellbar zweiter Leitapparat 18 ist dem Laufrad 4 nachgeschaltet. Im abströmseitigen Bereich des Gehäuses 1 ist eine Verstelleinrichtung 19 für die Veränderung des als Abströmdüse ausgebildeten Teiles des Gehäuses 1 bezüglich ihres Querschnitts angeordnet und sie schließt vorzugsweise eine Kolben-Zylinder-Einrichtung ein.
Ist der Motor, wie dargestellt, so ausgebildet, dass das Aussenteil der Rotor 12 und das Innenteil der Stator 11 ist, so wirkt der Rotor 11 auf das zumindest eine Laufrad 4 ein und der Stator 12 ist mit strömungsgünstig ausgebildeten Streben vor und hinter den Laufrädern am Gehäuse 1 befestigt.
Die Leiteinrichtung 2 besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilen 2a, 2b, von denen der vordere Teil 2a zwischen Gehäuse 1 und bestehender Kappe 16 fest angeordnet ist. Dieser vordere Teil 2a der Leiteinrichtung 2 ist ein Leitgitter mit feststehenden Schaufeln, die so eingestellt sind, dass eine Grobausrichtung der den Antrieb anströmenden Strömung über den gesamten Betriebsbereich erreicht wird. Er dient der Stabilisierung des Gehäuses 1 im Anströmbereich 3. Auf das feste Leitgitter 2a folgt als zweiter Teil der Leiteinrichtung 2b, mit um ihre Längsachsen 21 schwenkbaren Verstellschaufeln. Mit dem zweiten Teil 2b der Leiteinrichtung 2 erfolgt die betriebszustandsbedingte Feinausrichtung der den Antrieb anströmenden Strömung. Die Verstellschaufeln 10 sind mit ihren zapfenartigen Schaufelfüßen 20 um ihre Längsachsen 21 schwenkbar durch die Nabenkappe 16 hindurchgeführt und der Verstelleinrichtung 15 zugeordnet, die von an sich bekannter Art sein kann.
Die Änderung des Querschnittes des als sich verengende Auslaßdüse ausgebildeten, an den sich erweiternden Gehäuseeinlaßteil 3 des Gehäuses 1 anschließenden Endteils 5 des Gehäuses 1 erfolgt mit einem in der Richtung der Längsachse 9 des Antriebes translatorisch verstellbaren, symmetrisch zur Achse 9 ausgebildeten Kegel 25 mit konvex gewölbter Umfangsfläche. Der größere Querschnitt dieses als "Abströmkappe" zu bezeichnenden Bauteiles ist dem einlaßseitigen Ende des vom Gehäuse 1 umschlossenen Strömungskanals 26 zugewandt, während die Kegelspitze dem auslaßseitigen Ende des Strömungskanals 26 und der Auslaßebene 6 zugewandt ist. Der axialen Verstellung der Abströmkappe 25 dient die Verstelleinrichtung 19, deren eines seiner wesentlichen Teile ein symmetrisch zur Achse 9 im Gehäuse 1 mit geeigneten Mitteln gehaltener Zylinder 23 ist, aus dessen dem Gehäuseauslaß zugewandten Ende ein im Zylinder 23 durch hydraulisches Druckmittel translatorisch verstellbarer Verstellkolben 24 als ein anderes der wesentlichen Teile der Verstelleinrichtung herausgeführt ist und dessen freies Ende mit der Abströmkappe 25 fest verbunden ist. Um die Wirbelbildung im Strömungskanal 20 im Bereich der Verstelleinrichtung 19 zu minimieren, ist eine symmetrisch zum Verstellkolben 24 bzw. zur Antriebslängsachse 9 angeordnete Teleskopverkleidung 28 vorgesehen, deren eines Ende dem fest im Gehäuse 1 angeordneten Verstellzylinder 23 und deren anderes Ende fest der gegenüber dem Gehäuse 1 verstellbaren Abströmkappe 25 zugeordnet ist.
In der Zeichnung ist die Abströmkappe 25 in ihren beiden Endstellungen dargestellt. Im unteren Teil der Fig. 1 ist die Abströmkappe in ihrer äußeren Endstellung dargestellt, in der sie sich mit ihrem inneren Ende mit dem größeren Durchmesser in der Düsen- bzw. Gehäuseendebene 6, im übrigen im wesentlichen außerhalb des Gehäuses 1 befindet, sodass der kleinste ringförmige Auslaßquerschnitt des Strömungskanals 26 bestimmt ist. Im oberen Teil der Fig. 1 ist die Abströmkappe 25 in ihrer inneren Endstellung dargestellt, in der sie sich mit ihrem äußeren spitzen Ende in der Düsen- bzw. Gehäuseendebene 6 und im wesentlichen innerhalb des Gehäuses befindet, sodass der größte ringförmige Auslaßquerschnitt des Strömungskanals 26 bestimmt ist.
Durch sinnvolles Verstellen des Einlaßleitkranzteiles 2b und der Abströmkappe 25 kann dafür gesorgt werden, dass für das den Strömungskanal 26 des Antriebes durchströmende Wasser optimale Strömungsverhältnisse in jedem Betriebszustand gewährleistet werden können, insbesondere unter Berücksichtigung der Drehzahl des Laufrades 4.
So wie die Ausbildung der Verstelleinrichtung 15 und der Einlaßleiteinrichtung 2 für die Bestimmung des Einlaßdüsenquerschnittes beispielhaft ist, ist auch die Ausbildung der Verstelleinrichtung 19 mit dem verstellbaren Kegel 25 für die Bestimmung des Aulaßdüsenquerschnitts nur beispielhaft, was der Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet leicht erkennen kann. An die Stelle des starren Auslaßdüsenaußenteiles und der ihm gegenüber verstellbaren Abströmkappe können beispielsweise Düsenteile schwenkbar am Gehäuse 1 gelagert sein, die sich zur Verringerung des Düsenquerschnitts mehr, zur Vergrößerung des Düsenquerschnitts, weniger aber immer noch zur Gewährleistung der Führung der Fluidströmung ausreichend überdecken; Fig. 3 zeigt eine von mehreren Düsenklappen 25a, die in Gelenken 29 am Gehäuse 1 angelenkt und diesem gegenüber in Richtung des Doppelpfeiles 30 zu verschwenken sind.
Eine beispielsweise Verstellvorrichtung für den zweiten Teil 2b der Einlaßleitvorrichtung 2 ergibt sich aus Fig. 2. Es ist der erste Leitschaufelkranz 2a mit seinen festen Leitschaufeln zu erkennen, durch dessen hohle Schaufeln Leitungen 31 für die Zuführung von hydraulischem Arbeitsmittel zu Zuleitungen 32 und weiter zum symmetrisch zur Antriebslängsachse 9 angeordneten Verstellzylinder 33 für die Verstellung des im Verstellzylinder 33 angeordneten Verstellkolbens 34 hindurchgeführt sind. Der Verstellkolben 34 wirkt entgegen der Wirkung einer vorgespannten Wickelfeder 35 auf eine Zahnstange 36, die wiederum mit einem Zahnrad 37 auf dem zapfenartigen Fuß 20 der jeweiligen Verstellschaufel des Schaufelkranzes 2b einwirkt, dessen Schaufeln um ihre Längsachsen 21 verstellt bzw. geschwenkt werden sollen. In die als Ansichten dargestellten Schaufeln der Schaufelkränze 2a, 2b sind deren beispielsweisen Querschnitte eingezeichnet. An ihren oberen Enden sind die Leitschaufeln 10 des zweiten, einstellbaren Leitschaufelkranzes 2b mit Zapfen 2c im Gehäuse 1 gelagert (Schwenkbewegung gemäß Doppelpfeil 101).
Der Strömungskanal 26 hat vorzugsweise einen zumindest im wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt, obwohl seine Ovalform nicht ausgeschlossen werden soll. Insbesondere kann der Einlauf zur Vermeidung des Ansaugens von Fremdkörpern durch Bildung eines Ansaugwirbels bei ansonsten kreisringförmigem Strömungskanal 26 abgeflacht bzw. oval ausgebildet sein.