[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Gondelantrieb für eine schwimmende Einrichtung
wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Platform gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1; ein derartiger Gondelantrieb ist beispielsweise aus der
DE 877 254 C bekannt.
[0002] Elektrische Gondelantriebe dienen zumeist als Propulsionsantrieb für größere schwimmende
Einrichtungen, wie z.B. Schiffe und Offshore-Plattformen, und werden häufig auch als
Pod-Antriebe, Thruster oder als Ruderpropeller bezeichnet. Sie werden mittels eines
Schafts drehbar an einem Rumpf der schwimmenden Einrichtung, z.B. im Heck eines Schiffes,
angebracht und haben typischerweise eine Leistung von mehr als 0.5 MW, meist von ca.
0.5 bis 30 MW.
[0003] Elektrische Gondelantriebe umfassen üblicherweise ein von Wasser umströmtes gondelförmiges
Unterwassergehäuse mit einer darin drehbar gelagerten Propellerwelle mit zumindest
einem daran angeordneten Propeller und mit einem in dem Unterwassergehäuse angeordneten
elektrischen Motor mit einem Stator und einem Läufer zum Antrieb der Propellerwelle.
Auf der Propellerwelle kann dabei auch zu beiden Enden jeweils ein Propeller angeordnet
sein. Die Propeller können dabei gleichsinnig oder mittels eines Getriebes auch gegensinnig
angetrieben sein. Ein Gondelantrieb kann auch zwei in dem Unterwassergehäuse angeordnete
elektrische Motoren umfassen, die jeweils eine Propellerwelle mit einem daran angeordneten
Propeller antreiben.
[0004] Die elektrischen Motoren in solchen Gondelantrieben müssen sich durch einen möglichst
geringen Durchmesser und geringe Drehzahl bei einem möglichst hohen Drehmoment auszeichnen.
Dies erfordert besonders bei hohen Leistungen besondere Maßnahmen zur Abfuhr der dabei
entstehenden Motorwärme.
[0005] Eine Möglichkeit zur Abfuhr der Motorwärme besteht darin, in einem Kreislauf Luft
axial um den Motor herum im Gehäuse zu führen und diese Luft im Schiff rückzukühlen.
Für die Luftführung wird jedoch ein verhältnismäßig großer Raum zwischen dem Stator
und dem Unterwassergehäuse benötigt, der zu einer Vergrößerung des Durchmessers des
Unterwassergehäuses führt, und es müssen große Luftkanäle durch den Schaft und eine
Verdreheinrichtung zur Drehung des Gondelantriebs geführt werden. Außerdem wird eine
verhältnismäßig große Rückkühleinrichtung in der schwimmenden Einrichtung benötigt,
die sich in der Nähe des Gondelantriebs befinden muss, wo oftmals (z.B. bei Landungsschiffen
und Fähren) kein Platz vorhanden ist.
[0006] Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Motor direkt über das Unterwassergehäuse
durch das das Unterwassergehäuse umströmende Wasser zu entwärmen. Hierzu wird der
Stator direkt in das Unterwassergehäuse eingepresst. Für das Statorgehäuse müssen
dabei besonders gut wärmeleitende Materialien zum Einsatz kommen.
[0007] Aus der
DE 877 254 C ist ein Gondelantrieb bekannt, bei dem zwischen einem Gehäuse des Motors und dem
Unterwassergehäuse ein ringförmiger Zwischenraum vorhanden ist, der von dem die Gondel
überflutenden Wasser durchströmt wird, so dass die Wärme des Motors abgeführt wird.
Problematisch ist hierbei, dass das die Gondel überflutende Wasser Verunreinigungen
mit sich führen kann, die den Zwischenraum verstopfen können und somit zu Einbußen
in der Wärmeabfuhr führen können. Weiterhin kann das die Gondel überflutende Wasser
je nach Standort der schwimmenden Einrichtung unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Eine Wärmeabfuhr über das die Gondel überflutende Wasser kann bei hohen Leistungen
deshalb nicht ausreichend sein kann.
[0008] Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Gondelantrieb anzugeben,
der mit geringem konstruktiven Aufwand und ohne nennenswerte Vergrößerung des Durchmessers
des Unterwassergehäuses eine zuverlässige Entwärmung des Motors, insbesondere in hohen
Leistungsbereichen von über 5 MW, ermöglicht.
[0009] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch einen Gondelantrieb gemäß Patentanspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
[0010] Erfindungsgemäß ist der Raum, in dem zur Kühlung des Motors eine Kühlflüssigkeit
strömt, für das das Unterwassergehäuse umströmende Wasser verschlossen, d.h. der Motor
wird nicht direkt von dem das Unterwassergehäuse umströmende Wasser gekühlt. Stattdessen
erfolgt eine Wärmeübertragung von dem Stator über die Kühlflüssigkeit in dem Raum
an den Abschnitt des Unterwassergehäuses, der den Raum begrenzt, und von dort an das
Wasser, welches das Unterwassergehäuse umströmt. Da in dem Raum nicht das das Unterwassergehäuse
umströmende Wasser fließt, kann eine Verstopfung des Raumes durch Verunreinigungen
vermieden werden. Auf der anderen Seite wird durch die Verwendung eines flüssigen
Kühlmittels die vergleichsweise bessere Wärmeübertragungskapazität von Flüssigkeiten
gegenüber Luft für eine gute Wärmeabfuhr genutzt. Mit Hilfe einer strömenden Kühlflüssigkeit
kann zudem eine schnelle Verteilung der Wärme über eine große Fläche erfolgen, wodurch
sich punktuelle Überhitzungen vermeiden lassen. Ein weiterer Vorteil gegenüber einer
direkten Entwärmung über das Unterwassergehäuse liegt darin, dass in größerem Maße
eine Unabhängigkeit gegenüber der Temperatur des das Unterwassergehäuse umströmenden
Wassers besteht und die Kühlung des Motors kann dabei auch ohne dieses Wasser getestet
werden.
[0011] Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist im Vergleich zu einer direkten Entwärmung
über das Unterwassergehäuse keine nennenswerte Vergrößerung des Durchmessers des Unterwassergehäuses
nötig. Im Vergleich zu einer Luftkühlung ist ein wesentlich geringerer Durchmesser
des Unterwassergehäuses notwendig, so dass bei gleichbleibendem Gehäusedurchmesser
die Leistung des elektrischen Motors vergrößert werden kann. Da keine direkte Wärmeübertragung
von dem Stator an das Unterwassergehäuse, sondern nur eine indirekte Wärmeübertragung
über die strömende Kühlflüssigkeit an das Unterwassergehäuse erfolgt, muss der Stator
nicht in das Gehäuse eingepresst werden und es entfallen sämtliche Maßnahmen zur Herstellung
einer guten direkten thermischen Verbindung zwischen Stator und Unterwassergehäuse.
Hierdurch ist eine einfache Herstellung des Gondelantriebs möglich und es können kostengünstige
Materialien für das Unterwassergehäuse zum Einsatz kommen (z.B. eine Schweißkonstruktion
aus Standardmaterialien anstatt eines Bronzegusses).
[0012] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Raum in Längsrichtung
des Stators mindestens über die gesamte Länge des Stators, vorzugsweise einschließlich
von Wickelköpfen des Stators. Hierdurch wird eine große kühlende Oberfläche für eine
gute Wärmeabfuhr des Motors geschaffen.
[0013] Eine besonders gute Wärmeabfuhr ist möglich, wenn sich der Raum in Umfangsrichtung
des Stators zumindest über einen größten Teil von dessen Umfang, vorzugsweise sogar
über dessen gesamten Umfang, erstreckt.
[0014] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung stützt sich der Stator über mehrere Stützelemente,
die durch den Raum verlaufen, an dem Gehäuse ab. Hierdurch ist eine gute Drehmomentenübertragung
zwischen dem Motor und dem Unterwassergehäuse mölich. Durch die Stützelemente kann
auch eine Versteifung des Gehäuses und des darin angeordneten Motors erfolgen. Außerdem
können die Stützelemente von besonderem Vorteil zur Lenkung der Kühlflüssigkeit in
dem Raum dienen.
[0015] Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stützelemente hierzu als
Rippen ausgebildet, die sich vorzugsweise in Längsrichtung des Motors erstrecken.
[0016] Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Abfuhr der
gesamten Motorwärme über die Kühlflüssigkeit in dem Raum an den Abschnitt des Unterwassergehäuses,
der den Raum begrenzt, und von dort an das das Unterwassergehäuse umströmende Wasser.
[0017] Alternativ kann die Abfuhr nur eines Teils der gesamten Motorwärme über die Kühlflüssigkeit
in dem Raum an den Abschnitt des Unterwassergehäuses, der den Raum begrenzt, und von
dort an das das Unterwassergehäuse umströmende Wasser erfolgen. Die Abfuhr des anderen
Teils der Motorwärme kann dann über einen Kühlkreislauf erfolgen, der an dem Raum
angeschlossen ist. Der Kühlkreislauf kann einen Wärmetauscher umfassen, der z.B. ein
doppelwandiger Schaft des Gondelantriebs ist, der durch Seewasser gekühlt wird. Der
Wärmetauscher kann aber auch in der schwimmenden Einrichtung angeordnet und über ein
Rohrleistungssystem angebunden sein. Außerdem ist es auch möglich, eine Rückkühlung
über eine Kühlaggregat (Klimaanlage) durchzuführen. Ein derartiger Kühlkreislauf kann
ggf. auch noch nachgerüstet werden.
[0018] Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kühlflüssigkeit destilliertes
Wasser. Durch eine Leitfähigkeitsmessung des destillierten Wassers kann die Kühlung
sehr einfach auf ein Leck überwacht werden. Für eine Eisfahrt kann dem Wasser ggf.
noch ein Frostschutzmittel zugesetzt werden.
[0019] Bevorzugt ist der elektrische Motor als ein permanentmagnetisch erregter Motor ausgebildet,
da derartige Motoren vergleichsweise wenig Wärme erzeugen.
[0020] Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen
der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- in vereinfachter Darstellung einen Längsschnitt durch einen an einer schwimmenden
Einrichtung angeordneten erfindungsgemäßen Gondelantrieb,
- FIG 2
- einen Querschnitt entlang der Linie II - II des Gondelantriebs von FIG 1,
- FIG 3
- eine besonders vorteilhafte Anordnung von Stützelementen zwischen Stator und Unterwassergehäuse
und
- FIG 4
- eine Baueinheit für einen Gondelantrieb mit einem zusätzlichen Kühlkreislauf.
[0021] Die Figur 1 zeigt in vereinfachter und schematischer Darstellung einen Längsschnitt
durch einen Gondelantrieb 1, der als Antriebseinrichtung für eine schwimmende Einrichtung,
wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Plattform, dient und hierzu um eine Achse A
drehbar am Rumpf der schwimmenden Einrichtung 2 befestigt ist. Ein derartiger Gondelantrieb
wird häufig auch als Ruderpropeller oder als Pod-Antrieb bezeichnet und hat üblicherweise
eine Antriebsleistung von 0,5 bis 30 MW.
[0022] Der Gondelantrieb 1 umfasst ein hydrodynamisch optimiert gestaltetes Unterwassergehäuse
3, das mittels eines Schaftes 4 drehbar an dem Rumpf der schwimmenden Einrichtung
2 angeordnet ist. Eine Propellerwelle 5 ist mittels Lager 6 drehbar innerhalb des
Gehäuses 3 gelagert und aus dem Gehäuse 3 herausgeführt. Auf der Propellerwelle 5
sitzt zu beiden Enden jeweils ein außerhalb des Gehäuses 3 angeordneter Propeller
7. Die Propellerwelle 5 wird von einem ebenfalls innerhalb des Gehäuses 3 angeordneten
elektrischen Motor 8 angetrieben. In diesem Ausführungsbeispiel werden die beiden
Propeller 7 durch den Motor 8 gleichsinnig angetrieben. Es sind jedoch auch andere
Ausführungsformen möglich. Beispielsweise können die beiden Propeller 7 mittels eines
in dem Unterwassergehäuse 3 angeordneten Getriebes auch gegensinnig angetrieben werden.
Statt eines einzigen elektrischen Motors 8 können auch zwei Rücken an Rücken in dem
Unterwassergehäuse 3 angeordnete elektrische Motoren vorhanden sein, die jeweils über
eine Propellerwelle nur einen einzigen der beiden Propeller 7 antreiben.
[0023] Der elektrische Motor 8 umfasst einen Stator 9 und einen drehfest mit der Welle 5
verbundenen Läufer oder Rotor 10. Bei dem elektrischen Motor 8 handelt es sich vorzugsweise
um einen läuferseitig permanentmagnetisch erregten Motor.
[0024] Das Gehäuse 3 weist dabei zwei Endabschnitte 13 auf, die die Stirnfläche des Gehäuses
3 bilden und in denen die Propellerwelle 5 drehbar gelagert ist, und einen zwischen
den beiden Endabschnitten 13 angeordneten zentralen Gehäuseabschnitt 14, der die Umfangsfläche
des Gehäuses 3 bildet und in dessen Bereich der Motor 8 angeordnet ist.
[0025] Wie in FIG 1 und in einem Querschnitt entlang der Linie II - II im Detail in FIG
2 gezeigt ist, ist zwischen dem Stator 9 und dem zentralen Gehäuseabschnitts 14 des
Unterwassergehäuses 3 ein Raum 15 ausgebildet, der zum großen Teil von dem Stator
9 und einem mit 16 bezeichneten Abschnitt des Unterwassergehäuses begrenzt ist und
in dem zur Kühlung des Motors 8 eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise destilliertes Wasser,
zirkuliert. Für eine Eisfahrt kann dem Wasser ggf. ein Fristschutzmittel zugesetzt
sein.
[0026] Der Raum 15 ist für das das Unterwassergehäuse umströmende Wasser verschlossen, d.h.
dieses Wasser kann den Raum 15 nicht durchströmen. Über die zwischen dem Außendurchmesser
des Stators 9 und dem Innendurchmesser des zentralen Gehäuseabschnitts 14 zirkulierende
Kühlflüssigkeit erfolgt eine Wärmeübertragung von dem Stator 9 an den Abschnitt 16
des Unterwassergehäuses, der den Raum 15 begrenzt, und von dort an das das Unterwassergehäuse
3 umströmende Wasser.
[0027] Der Raum 15 erstreckt sich dabei in Längsrichtung des Stators 9 über die gesamte
Länge des Stators 9 einschließlich der Wickelköpfe des Stators und in Umfangsrichtung
des Stators 9 über dessen gesamte Umfangsfläche. Durch den Raum 15 wird somit ein
Kühlflüssigkeitsring um den elektrischen Motor 8 gebildet.
[0028] Vorzugsweise wird der Abschnitt 16 des Unterwassergehäuses 3, der den Raum 15 begrenzt,
zumindest über seine gesamte Außenfläche von Wasser umströmt. Dies kann allerdings
- wie im Fall des Ausführungsbeispiels - im Bereich der Anbindung des Gehäuses 3 an
den Schaft 4 erschwert sein. Hier kann beispielsweise durch Kanäle durch den Schaft
4 oder in der Außenwand des Schaftes 4 die von Wasser umströmte Außenfläche des Unterwassergehäuses
3 vergrößert und somit eine gute Wärmeabfuhr an das umströmende Wasser erzielt werden.
[0029] Der Stator 9 stützt sich dabei über mehrere Stützelemente 17, die durch den Raum
15 verlaufen, an dem Gehäuse 3 ab. Die Stützelemente 17 sind dabei als Rippen ausgebildet,
die sich in Längsrichtung des Motors 8 bzw. Stators 9 erstrecken. Die Stützelemente
17 dienen zur Drehmomentübertragung von dem Motor 8 an das Gehäuse 3, zur Lenkung
der Kühlflüssigkeit in dem Raum 15 und zur Versteifung der gesamten Anordnung.
[0030] Der Motor 8 kann mit den Stützelementen 17 form- oder reibschlüssig verbunden sein.
Beispielsweise kann der Stator 9 durch Einschrumpfen in ein mit den Stützelementen
17 versehenes Gehäuse 3 in dem Gehäuse 3 befestigt werden.
[0031] Wie in FIG 3 in einer teilweisen Draufsicht auf den Raum 15 und den darunter liegenden
Stator 9 gezeigt ist, werden durch die Anordnung und den Verlauf der rippenförmigen
Stützelemente 17 in dem Raum 15 Kanäle für die Kühlflüssigkeit ausgebildet, durch
die die Kühlflüssigkeit in Längsrichtung des Stators 9 abwechselnd von einem Ende
des Stators 9 zu dem anderen Ende des Stators 9 strömt. Hierzu wird die Kühlflüssigkeit
durch Durchlässe 18 an den Enden des Stators 9 jeweils um 180° in ihrer Strömungsrichtung
umgelenkt.
[0032] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 und 2 erfolgt die Abfuhr der gesamten Motorwärme
über die Kühlflüssigkeit in dem Raum 15 an den Abschnitt 16 des Unterwassergehäuses
3, der den Raum 16 begrenzt, und von dort an das das Unterwassergehäuse 3 umströmende
Wasser.
[0033] Falls - beispielsweise bei sehr großen Leistungen des Motors 8 - die Wärmeabfuhr
hierüber nicht ausreicht, kann, wie in dem vereinfachten Teillängsschnitt von FIG
4 dargestellt, ein Teil der Motorwärme auch über einen Kühlkreislauf 20 abgeführt
werden, der an den Raum 15 angeschlossen ist und der eine Pumpe 21 und einen Wärmetauscher
22 für eine Rückkühlung der Kühlflüssigkeit umfasst.
[0034] Der Wärmetauscher 22 kann beispielsweise durch eine Doppelwand des Schaftes 4 ausgeführt
sein, der durch das den Schaft 4 umströmende Wasser gekühlt wird. Der Wärmetauscher
22 kann aber auch ein in der schwimmenden Einrichtung angeordneter Wärmetauscher sein,
der über ein Rohrleitungssystem angebunden ist. Es ist auch möglich, die Rückkühlung
über ein Kühlaggregat (Klimaanlage) durchzuführen.
[0035] Wie in FIG 4 gezeigt, ist der Stator 9 üblicherweise aus mehreren einzelnen Komponenten
aufgebaut, hier beispielsweise aus einem Statorrohr 9a mit Eisenzähnen 9b, in die
Statorwicklungen mit Wicklungsköpfen 9c eingelegt sind.
[0036] Der Stator 9 mit dem Kühlraum 15 mit den rippenförmigen Stützelementen 17 kann dabei
zusammen mit einer Kabelanschlußbox 31 und Teilen des Unterwassergehäuses 3 auch eine
Baueinheit 30 bilden, an die über nicht näher dargestellte Flansche der Schaft 4 und
die Bilgenhauben 34 des Unterwassergehäuses 3 des Gondelantriebs befestigt werden
können.
[0037] Von besonderem Vorteil ist, dass für das Unterwassergehäuse 3 der FIG 1 bis 4 eine
einfache und kostengünstige Schweißkonstruktion zum Einsatz kommen kann. Der Außendurchmesser
des Gondelantriebs 1 wird dabei im Vergleich zu bisherigen Gondelantrieben, die direkt
über das umströmende Wasser gekühlt werden, nur geringfügig größer. Durch die Verwendung
einer Kühlflüssigkeit anstelle von Luft kann eine deutlich bessere Wärmeabfuhr ermöglicht
werden. Bei gleichzeitiger Flüssigkeitskühlung der Wickelköpfe des Stators 9 kann
das Moment des Motors 8 bei gleicher Größe aufgrund der besseren Kühlung vergrößert
werden. Bei einem Anschluss an einen Kühlkreislauf kann die Kühlleistung sogar geregelt
werden.
1. Gondelantrieb (1) für eine schwimmende Einrichtung (2) umfassend:
- ein von Wasser umströmtes Unterwassergehäuse (3) mit einer darin drehbar gelagerten
Propellerwelle (5) mit zumindest einem daran angeordneten Propeller (7),
- einen in dem Unterwassergehäuse (3) angeordneten elektrischen Motor (8) mit einem
Stator (9) und einem Läufer (10) zum Antrieb der Propellerwelle (5),
wobei zwischen dem Stator (9) und dem Unterwassergehäuse (3) ein Raum (15) ausgebildet
ist, der zumindest teilweise von dem Stator (15) und einem Abschnitt (16) des Unterwassergehäuses
(15) begrenzt ist und in dem zur Kühlung des Motors (8) eine Kühlflüssigkeit strömt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (15) für das das Unterwassergehäuse (3) umströmende Wasser verschlossen
ist und eine Wärmeübertragung von dem Stator (9) über die in dem Raum (15) strömende
Kühlflüssigkeit an den Abschnitt (16) des Unterwassergehäuses (3), der den Raum (15)
begrenzt, und von dort an das das Unterwassergehäuse (3) umströmende Wasser erfolgt.
2. Gondelantrieb (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Raum (15) in Längsrichtung des Stators (9) mindestens über dessen gesamte
Länge, vorzugsweise einschließlich von Wickelköpfen des Stators (9), erstreckt.
3. Gondelantrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Raum (15) in Umfangsrichtung des Stators (9) zumindest über den größten
Teil von dessen Umfang, vorzugsweise über dessen gesamten Umfang, erstreckt.
4. Gondelantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stator (9) über mehrere Stützelemente (17), die durch den Raum (15) verlaufen,
an dem Gehäuse (3) abstützt.
5. Gondelantrieb (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (17) zur Lenkung der Kühlflüssigkeit in dem Raum (15) dienen.
6. Gondelantrieb (1) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (17) als Rippen ausgebildet sind, die sich vorzugsweise in Längsrichtung
des Motors (8) erstrecken.
7. Gondelantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfuhr der gesamten Motorwärme über die Kühlflüssigkeit in dem Raum (15) an den
Abschnitt (16) des Unterwassergehäuses (3), der den Raum (15) begrenzt, und von dort
an das das Unterwassergehäuse (3) umströmende Wasser erfolgt.
8. Gondelantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfuhr eines Teils der gesamten Motorwärme über die Kühlflüssigkeit in dem Raum
(15) an den Abschnitt (16) des Unterwassergehäuses (3), der den Raum (15) begrenzt,
und von dort an das das Unterwassergehäuse (3) umströmende Wasser erfolgt, und die
Abfuhr des anderen Teils der Motorwärme über einen Kühlkreislauf (20) erfolgt, der
an dem Raum (15) angeschlossen ist.
9. Gondelantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit destilliertes Wasser ist.
10. Gondelantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Motor (8) als ein permanentmagnetisch erregter Motor ausgebildet
ist.