DE10044101A1 - Antrieb für schnelle Wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

Schiffsantriebe mit einem Motor, vorzugsweise einem Elektromo­ tor, in einer Gondel unterhalb des Schiffes und mindestens ei­ nem von diesem Motor angetriebenen Propeller außerhalb des ei­ nen Gondelendes sind vorzugsweise für Schiffsgeschwindigkeiten ab 20 Knoten mit wirtschaftlichem Vorteil einzusetzen; sie werden allgemein als PoD-Antriebe bezeichnet. In dem Geschwin­ digkeitsbereich über 20 Knoten ist jedoch mit Propellerantrie­ ben nur ein nicht optimaler Wirkungsgrad zu erzielen.

Häufig verwendete Schiffsantriebe mit mindestens einem Wasser­ strahl, der aus dem das Schiff umgebenden Wasser gebildet wird, im Schiff mit Energie angereichert wird und als energie­ reicher Wasserstrahl das Schiff verläßt, um dieses anzutrei­ ben, sind in Geschwindigkeitsbereichen über 35 Knoten effi­ zient einzusetzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schiffsan­ trieb aufzuzeigen, der besonders vorteilhaft im Geschwindig­ keitsbereich von etwa 25 bis etwa 30 Knoten vorteilhaft ein­ setzbar ist.

Der Antrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die An­ sprüche gekennzeichnet. Der erfindungsgemäße Antrieb kann als Staumanteltriebwerk bezeichnet werden. Bei dieser erfindungs­ gemäßen Antriebsform ist eine ummantelte Axialstufe mit Rotor außerhalb des Schiffes angeordnet und, mit dem Schiff in geeig­ neter Weise fest verbunden. Sie zeichnet sich durch kompakte Bauweise und einen hohen Wirkungsgrad bei höheren Geschwindig­ keiten aus. Die Bauart der Strömungsmaschine eignet sich be­ sonders auch für die Umsetzung als steuerbarer Antrieb.

Es handelt sich um eine Axialpumpe bestehend aus Laufrad (auch Impeller genannt) und Leitrad. Diese Axialstufe ist mit einer Verzögerungsdüse ummantelt. Das Problem bei hohen Geschwindig­ keiten und niedrigen Tauchtiefen ist die extreme Kavitations­ gefährdung von hochbelasteten Propellern. Beim erfindungsgemä­ ßen Triebwerk wird im Düseneintritt Strömung aufgestaut, prak­ tisch das Druckniveau extrem erhöht, um die Unterschreitung des Dampfdrucks weitestgehend zu unterbinden.

Das bedeutet, dass die vorteilhafterweise durch die Formgebung der Düse (Wölbung) und/oder die Querschnittsverteilung bis zum Laufrad hin verzögert wird. Es kann von einem Eintrittsdiffu­ sor gesprochen werden. Das anschließende Leitrad lenkt die tan­ gentialen Geschwindigkeitsanteile des Laufradstrahles um (Ent­ drallung). Im weiteren Düsenverlauf wird die Strömung auf die Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt, die u. a. die Höhe der Ein­ satzgeschwindigkeit 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 Zu­ laufdruck begrenzt ist. Dadurch wird auch der Minimaldurch­ messer 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 von mindestens 0,5 führt dazu, dass in der Nabe ein Elektromotor verwendet werden kann. Die­ ser sollte dabei eine große Leistungsdichte besitzen, was bei­ spielsweise durch einen permanenterregten Synchronmotor in Longitudinalflußbauweise verwirklicht werden kann. Die im Mo­ tor entstehende Verlustwärme kann direkt über die Nabenober­ fläche ins Wasser abgegeben werden, wobei eine Bauweise mit eingeschrumpftem Motor sehr vorteilhaft ist.

Von besonderer Problematik ist die Kennlinie unter Berücksich­ tigung folgender Kriterien.

Schmales Gebiet optimalen Wirkungsgrades, starker Abfall des Wirkungsgrades außerhalb des Betriebspunktes;
Anfahren ist bei großen Einheiten praktisch nicht mög­ lich, weil der erforderliche Staudruck und/oder der Schub fehlt. Bei konventionellen Waterjets wird das Problem da­ durch gelöst, dass die eigentlichen Antriebe durch klei­ nere Antriebe zum Anfahren ergänzt werden.

Bei Anwendungen mit variablem Fahrregime, wie unterschiedliche Beladungszustände und/oder unterschiedliche Fahrgeschwindig­ keiten, 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. Durcch entsprechende Gestaltung des Eintritts (Ansaugbereich) soll ein möglichst hoher Anteil dieser "Geschwindigkeitsdruck­ höhe" zurückgewonnen 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 un­ terschiedlichen Druckhöhen angepaßt wird.

Die Gestaltung des Einlaufs bei konventionellen Wasserstrahl­ antrieben (im Rumpf integriert) führt zu Problemen hinsicht­ lich 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.

Die konventionellen Waterjets saugen aus der Grenzschicht an. Der erfindungsgemäße Antrieb kann grundsätzlich tiefer posi­ tioniert werden, um eine höhere Geschwindigkeitshöhe verarbei­ ten 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 Vor­ dralleinrichtung macht nur Sinn, wenn gleichzeitig eine ver­ stellbare Düsenaustrittsfläche vorgesehen wird.

Durch mehrstufige Systeme mitgegenläufigen Laufrädern wird die spezifische Stutzenarbeit und damit die Belastung auf meh­ rere Stufen aufgeteilt. Damit erhöht sich die Kavitationssi­ cherheit, 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 ei­ nem Laufrad verbunden ist. Das Innenteil des E-Motors steht fest (Stator des E-Motors) und ist die Achse, auf dem der Ro­ tor 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 An­ trieb verbunden, die vorteilhafterweise das Leitrad darstel­ len. 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 ge­ lagert 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 ei­ nem oder mehreren beweglichen Teilen. Die Kraftübertragung (Schub, Torsionsmoment) würde dann über die feststehenden Tei­ le erfolgen und die Lagerung der zu verstellenden Teile nicht belasten.

Da der Düsenaußenmantel zur Minimierung des Widerstandes dünn gehalten werden sollte, kann die Verstelleinrichtung der Leit­ flügel in die Nabe verlegt werden, wo ausreichend Platz be­ steht. Die Verstellung kann über Hebel hydraulisch, pneumatich oder elektrisch erfolgen. Die Zuführung der notwendigen Ener­ gie kann innerhalb der Leitflügel erfolgen.

Die Verstellung der Düse kann vorteilhaft derart gelöst wer­ den, dass aus der Nabenkontur ein Profilkörper axial in seiner Position derart verstellt wird, dass sich der Düsenaustritts­ querschnitt verändert. Eine Teleskopverkleidung verhindert da­ bei eine Ablösung oder Wirbel der Strömung.

Eine Steuerung durch Ablenkung des Schubes an einer Platte im Düsenaustritt ist einfach aber bei kleinen Relativgeschwin­ digkeiten nicht sehr wirkungsvoll. Das Schwenken des Düsenaustritts ist nahezu gleichbedeutend mit dem Richten des Ge­ samtschubes. Das Schwenken des gesamten Antriebes ist für niedrige Geschwindigkeiten die beste Lösung. Zum Kurshalten bei höheren Geschwindigkeiten ist eine eingeschränkte Schwenk­ barkeit des Gesamtantriebes, 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 (Einbrin­ gung 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 ausgeführt werden, dass der erfindungsge­ mäße Schiffsantrieb aus einer außerhalb des Rumpfes angeordne­ ten Antriebseinheit besteht, die sich aus einer Gondel mit in­ tegriertem Motor, vorzugsweise Elektromotor, bildet, der ein bzw. mehrere nacheinander geschaltete Laufräder (Pumpenlaufrä­ der) in gleich- oder gegenläufiger Drehrichtung direkt an­ treibt, wobei nach, vor oder zwischen dem Laufrad oder den Laufrädern ein Leitrad angeordnet ist sowie Laufrad und Leit­ räder durch eine Düse ummantelt sind, deren Querschnitt sich vom Eintritt bis zur Ebene des ersten Laufrades stetig erwei­ tert und sich anschließend auf einen einstellbaren Querschnitt verändert, die zusammen mit einem einstellbaren Vorleitrad im Ansaugteil eine dynamische Kennlinie ermöglicht, die eine An­ passung an die unterschiedlichsten Betriebsbedingungen ermög­ licht.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind

• - höherer Wirkungsgrad als herkömmliche Populsoren,
• - Leistungsdichte, da die strömungsgeometrisch erforderliche große Nabe einen Motor großen Drehmoment es ermöglicht,
• - niedrigere Druckimpulse als ein Propellersystem, da der Impulserzeuger durch die Düse gekapselt ist,
• - kompakte Bauweise, geringer Durchmesser,
• - eingeschränkte Steuerung und Vollsteuerung möglich,
• - dynamische Kennlinie ermöglicht Anpassung an unterschied­ liche Betriebbsbedingungen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist ein erfin­ dungsgemäßer Wasserstrahlantrieb als Mittellängsschnitt darge­ stellt. Der gesamte Antrieb ist in einer Düse 1 angeordnet, an deren durch ein Leitgitter 2 gekennzeichneter Einlaß sich ein Abschnitt 3 anschließt, dessen Querschnitt sich bis zum Lauf­ rad 4, das gegebenenfalls das erste von mehreren Laufrädern ist, stetig erweitert. An diesen Abschnitt 3 der Düse 1 schließt sich ein Abschnitt 5 an, dessen Querschnitt verän­ derbar ist, grundsätzlich jedoch zum Düsenauslaß 6 hin kleiner wird. Insbesondere wird der Abschnitt 5 ein teleskopartiger Verkleidungsabschnitt sein, an den sich eine Abströmkappe 6 anschließt. Zwischen den Abschnitten 3 und 5 ist ein Befesti­ gungsflansch 7 der Düsse 1 fest zugeordnet, mit dem der gesam­ te Antrieb am Schiffsrumpf (nicht dargestellt) zu befestigen ist. Gegebenenfalls kann die Befestigung am Schiffsrumpf der­ art 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 der Düse 1 gerichtet. Um die Düsenlängsachse 9 drehbar ist das gegebenenfalls einzige Laufrad 4 in der Düse 1 angeordnet. Auf der zur Längsachse 9 symmetrisch angeordneten Antriebswelle 10 ist das Laufrad 4 drehfest angeordnet. Der Antrieb der Welle 10 erfolgt mit einem Elektromotor, dessen Stator 11 innen, dessen Rotor 12 außen liegt, was jedoch an sich nicht erfin­ dungswesentlich ist, weil auch der Rotor innen und der Stator demzufolge außen liegen kann. Vor und hinter dem Laufrad 4 bzw. dem Motor 11, 12 ist die Antriebswelle 10 in Lagern 13, 14 um ihre Längsachse 9 drehbar gelagert. Dem Laufrad 4 vorge­ schaltet ist das Leitgitter 2, das mittels einer Verstellein­ richtung 15 verstellbar ist. Das Leitgitter 2 ist vorzugsweise Teil eines drehfest auf der Welle 10 gelagerten Leitrades. Vor dem Leitgitter 2 sitzt auf der Welle 10 die strömungsgünstig ausgebildete Nabenkappe 16. Ein mit einer Verstelleinrichtung 17 verstellbarer zweiter Leitapparat 18 ist dem Laufrad 4 nachgeschaltet. Im abströmseitigen Bereich ist die Verstell­ einrichtung 19 für die Verstellung der Teleskopverkleidung 5 bezüglich ihres Querschnitts angeordnet und sie ist vorzugs­ weise eine Kolben-Zylinder-Einrichtung.

Ist der Motor, wie dargestellt, so ausgebildet, dass das Au­ ßenteil 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 Düseninnenmantel befestigt.

Claims (23)

1. Außerhalb des Rumpfes eines Wasserfahrzeugs angeordneter Antrieb für dieses Wasserfahrzeug zum Erreichen einer hohen Fahrgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch mindestens ein an­ getriebenes, vom Wasser durchströmtes Laufrad (4) in einem als Düse ausgebildeten Gehäuse (19) deren Austritts­ querschnitt (5) veränderbar ist, wobei vor dem gegebenen­ falls ersten Laufrad ein verstellbarer Leitapparat (2) an­ geordnet ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass min­ destens ein Elektromotor (11, 12) das oder die Laufräder (4) antreibt, dessen Außenteil den Rotor (12) darstellt, an dem das oder die Laufräder befestigt sind, und dessen In­ nenteil den Stator (11) darstellt, der mit strömungsgünstig geformten Streben vor und hinter dem oder den Laufrädern am Düseninnenmantel befestigt ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass min­ destens ein Elektromotor das oder die Laufräder (4) an­ treibt, dessen Innenteil den Rotor darstellt, der das Lauf­ rad bzw. die Laufräder antreibt und dessen Außenteil den Stator darstellt, der mit strömungsgünstig geformten Stre­ ben am Düseninnenmantel befestigt ist.

4. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Elektromotoren (11, 12) Asynchronmotoren sind.

5. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Elektromotoren permanenterregte Synchronmotoren sind.

6. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben Teile des Leitap­ parates darstellen.

7. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben Teile eines Vor­ leit- und eines eigentlichen Leitapparates darstellen.

8. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Kombination von zwei kontrarotierenden Laufrädern.

9. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Kombination von zwei gleichsinnig ro­ tierenden Laufrädern mit einem dazwischen liegenden Lei­ trad.

10. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch verstellbare Laufschaufeln mindestens eines Laufrades.

11. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch verstellbare Leitschafeln mindestens eines Leitrades.

12. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln mehrteilig sind und die Leitschaufelnverstellung nur einen Teil der Leitschaufel verstellt.

13. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (1) um eine im we­ sentlichen vertikale Achse um 360° schwenkbar ist.

14. Antrieb nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch an der Düse oder am Schaft befestigte Flaps.

15. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch an der Düse (1) oder am Schaft (7) an­ geordnete Flaps, die um eine im wesentlichen vertikale Ach­ se verstellbar sind.

16. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Einbringung eines gasförmigen Me­ diums, um eine Widerstandsminimierung der Düse zu errei­ chen.

17. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch die Einbringung eines gasförmigen Me­ diums um den Schaft zum Erhalt einer Steuerwirkung.

18. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 gekennzeichnet durch Klappen zur Steuerung des veränderba­ ren Düsenaustrittquerschnittes.

19. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch Elastikelemente zur Steuerung des ver­ änderbaren Düsenaustrittquerschnittes.

20. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch einen durch in ihrer Überlappung ein­ stellbare Düsenabbschnitte veränderbaren Düsenaustritt­ querschnitt.

21. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch einen durch axiale Verschiebung des Innenteils veränderbaren Düsenaustrittquerchnitt.

22. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch einen Düsenquerschnitt, der vom Ein­ tritt bis zum ersten Laufrad zunimmt.

23. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Leitapparat (2) ein Leitrad mit ein­ stellbarer Beschaufelung ist.