DE102004008805A1

DE102004008805A1 - Zweipropellerantrieb für Schiffe

Info

Publication number: DE102004008805A1
Application number: DE102004008805A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Reuter; Reinhard Dr. Schulze; Kay Tigges
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: DE102004008805B4

Abstract

Zweipropellerantrieb für große, seegehende Schiffe mit einem vorderen und einem hinteren Propeller, wobei die zwei Propeller gleichachsig und mit gleicher Drehrichtung laufend dicht hintereinander angeordnet sind und wobei sich zwischen dem vorderen und dem hinteren Porpeller ein von Strömungsleitelementen freier Raum befindet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweipropellerantrieb für große, seegehende Schiffe mit einem vorderen und einem hinteren Propeller, wobei die zwei Propeller gleichachsig und mit gleicher Drehrichtung laufend dicht hintereinander angeordnet sind.

Ein Zweipropellerantrieb für große, seegehende Schiffe mit zwei gleichachsig und mit gleicher Drehrichtung laufenden Propellern ist aus der EP 0 935 553 B1 bekannt.

Bei dem bekannten Antrieb ist es nachteilig, dass bei einem Versagen des elektrischen Antriebsmotors für die beiden Propeller, die auf einer gemeinsamen Propellerwelle angeordnet sind, das entsprechend ausgerüstete Schiff antriebslos wird. Eine Abhilfe besteht darin, dass zwei derartige Doppelpropellerantriebe für ein Schiff vorgesehen werden. Derartige Doppelausstattungen haben sich aber bisher für die Handelsschifffahrt wegen ihrer hohen Kosten nicht durchgesetzt. Bisher werden nur Fähren oder Kreuzfahrtschiffe entsprechend ausgestattet. Auch der Wirkungsgrad des bekannten Antriebs ist nicht besonders hoch, da seine Strömungsleitelemente Widerstand erzeugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen widerstandsärmeren und dabei redundanten Antrieb anzugeben, der kostengünstiger ist, geringere Betriebs- und Unterhaltungskosten aufweist und auch nach einem Brand im Bereich des Hauptantriebsaggregats eines Schiffes einsatzfähig bleibt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die zwei Propeller unabhängig voneinander angetrieben werden, wobei sich zwischen den zwei Propellern ein von Strömungsleitelementen freier Raum befindet. So ergibt sich ein Propellerantrieb für Schif fe, der redundant ist und bei dem die in Bezug auf den Widerstand nachteiligen Strömungsleitelemente vermieden werden. Wie sich herausgestellt hat, ist es überraschenderweise möglich, dass die beiden Propeller auch bei dem vorteilhaften, vibrationsarmen und nur eine geringe Kavitationsneigung aufweisenden Gleichlauf mit relativ geringem Abstand einen Wirkungsgrad erreichen, der dem Wirkungsgrad kontrarotierender Propeller sehr nahe kommt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Propeller mit ihren Antrieben mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich die vorteilhafte, wirkungsgradsteigernde Möglichkeit, den hinteren Propeller derart zu beaufschlagen, dass er den vom vorderen Propeller erzeugten Drall in Schub umsetzt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass einer der beiden Propeller auf einer ersten (Haupt) Propellerwelle und der andere Propeller auf einer zweiten Propellerwelle angeordnet ist. So ergibt sich eine Ausführung für den Zweipropellerantrieb, der keine wesentlichen baulichen Veränderungen im Schiffsheck erfordert. Die zweite Propellerwelle kann z.B. im Ruderblatt angeordnet werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste (Haupt) Propellerwelle als Vollwelle und die zweite Propellerwelle als Hohlwelle ausgebildet ist, die um die Vollwelle herum verläuft. So ergibt sich für den gebildeten redundanten Antrieb eine erfindungsgemäß besonders kompakte Bauweise, die nur ein Hauptstevenlager erfordert. Es ist dabei vorgesehen, dass die zwei Propeller unterschiedliche Propellerdurchmesser aufweisen. So kann durch geeignete Drehzahlwahl und Propellerblattauslegung der erfindungsgemäß wichtige gute Wirkungsgrad des Zweipropellerantriebs erreicht werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hauptpropellerwelle im Schiffssteven und die zweite Propellerwelle, wie bereits erwähnt, in der Ruderaufhängung oder im Ruderblatt angeordnet sind. So ergibt sich die Möglichkeit, das Redundanzprinzip noch konsequenter durchzuführen, insbesondere wenn auch die Energieerzeugung für den Redundanzpropeller außerhalb des Bereichs der Energieerzeugung für den Hauptpropeller angeordnet wird.

Die technische Ausführung des Ruderblattpropellers ist bekannt, z.B. aus der WO 89/05262, die einen Ruderblattpropellerantrieb zeigt. Bei diesem bekannten Ruderblattpropeller ist jedoch ein Zusammenwirken mit einem Hauptpropeller, insbesondere einem gleichlaufenden Hauptpropeller, nicht vorgesehen, wie er erfindungsgemäß notwendig ist.

In einer auch für sich erfinderischen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hintere Propeller einen inneren Bereich mit einer Durchtrittsfläche für den Propellerstrahl des vorderen Propellers, also einen Bereich ohne Propellerblattüberdeckung aufweist. So wird in einem Schiffsbetrieb mit nur dem vorderen Propeller der Wirkungsgrad des Antriebs erheblich verbessert. Es ist dabei vorgesehen, dass der hintere Propeller einen Steigungssprung zwischen seinem inneren und äußeren Bereich aufweist. So kann vorteilhaft von den unterschiedlichen Anströmverhältnissen des hinteren Propellers über seinen Durchmesser Gebrauch gemacht werden und der Wirkungsgrad im Normalbetrieb, d.h. wenn vorderer und hinterer Propeller laufen, noch weiter gesteigert werden.

In einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung ist es vorgesehen, einen sogenannten Strömungsleitring im inneren Bereich des Hauptpropellers etwa auf dem Durchmessermaß des vorderen Propellers anzuordnen.

Dieser Strömungsleitring ermöglicht sowohl im gemeinsamen Betrieb von vorderem und hinterem Propeller als auch bei allei nigem Betrieb des vorderen Propellers eine bessere Strömungseinleitung bzw. Durchleitung des vorderen Propellerstrahls in die Durchtrittsfläche des hinteren Propellers. Der Gesamt-System-Wirkungsgrad wird verbessert. Dieser Strömungsleitring ist ähnlich einer Ringdüse ausgeführt und verbessert außerdem die Festigkeit des Hauptpropellers!

Es ist dabei vorgesehen, dass der hintere der zwei Propeller als Verstellpropeller ausgebildet ist, insbesondere als Pitch-Propeller mit Segelstellung. So wird bei Stillstand des hinteren Propellers ein besonders guter Durchtritt des vom vorderen Propeller erzeugten Wasserstrahls durch den hinteren Propeller ermöglicht, so dass sich auch für den Betrieb nur mit dem vorderen Propeller ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Im Gegensatz zu einem normalen Verstellpropeller, der relativ aufwendig ist und eine individuelle Regelung erfordert, ist ein Verstellpropeller, der nur zwei (End) Stellungen, nämlich die Normalstellung und die Propellerblattlängsstellung zur Welle aufweist, wesentlich einfacher und auch robuster.

In einer besonders bevorzugten, auch für sich erfinderischen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste (Haupt) Propeller durch eine Welle angetrieben wird, die direkt mit dem Schiffshauptantriebsaggregat, z.B. einem Dieselmotor, verbunden ist, während die zweite Propellerwelle durch ein zweites Antriebsaggregat, z.B. einen Elektromotor, direkt angetrieben ist. So ergibt sich die sehr vorteilhafte Möglichkeit, den Elektromotor als reitenden Motor auf einer Hohlwelle anzuordnen, die um die Hauptantriebswelle herum angeordnet ist. So kann sehr vorteilhaft auf das bei bekannten Hohlwellen-Systemen vorhandene Getriebe verzichtet werden, der Platzbedarf für den Elektromotor und seine Peripherie wird verringert und es ist ohne weiteres möglich, eine beliebige Drehrichtung für die Hohlwelle zu erzeugen.

Drehschwingungsprobleme im Bereich der Verzahnung des bekannten Getriebes für den Antrieb der Hohlwelle werden mit Si cherheit vermieden. Die Wartung und Überwachung des Getriebes entfällt. Die Sicherheit und der Wirkungsgrad des Antriebssystems wird erhöht und die Redundanz gesteigert.

In Ausgestaltung der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Elektromotor ein auf die Hohlwelle aufgeschrumpften Polrad aufweist, wobei die Hohlwelle insbesondere zur Befestigung des Polrades einen angeformten Flansch aufweist, der einen Bestandteil der Hohlwelle bildet. Natürlich ist es auch möglich, die Polschuhe des Rotors direkt auf die Hohlwelle zu schrauben. Dabei entfällt jedoch die gute Zugänglichkeit und Montagefreundlichkeit. In beiden Fällen ergibt sich eine besonders einfache und robuste Ausführung für die Drehmomentübertragung vom Elektromotor auf die Hohlwelle, die verschleißfrei und auch schwingungsfrei arbeitet. Verkeilungs- oder Spannelemente, die verschleißen oder die sich lockern können, existieren nicht.

In einer anderen Ausbildung der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hohlwelle zur Befestigung des Polrades einen Klemmflansch aufweist. So ergibt sich eine Lösung für die Drehmomentübertragung, die besonders flexibel ist und dabei auch eine hohe Sicherheit für die Drehmomentübertragung ergibt. Es ist bei beiden Flanschausführungen vorgesehen, dass das Polrad des Elektromotors einen angeformten Innenring aufweist, dessen Innendurchmesser um Schrumpfmaß kleiner als der Außendurchmesser des Hohlwellenflansches ist. So ergibt sich die Möglichkeit eines Aufschrumpfens des Polrades mit einer genau bestimmten Größe des Traganteils der Schrumpffläche. Dies erhöht die Sicherheit der Schrumpfung.

In Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass zwischen dem Polrad und der Hohlwelle ein freier Ringraum ausgebildet ist, der für die Aufnahme und Hantierung von Sicherungselementen, z.B. Muttern mit Sicherungsringen für Verschraubungsbolzen von Polspulen des Polrades ermöglicht. So ergibt sich eine besonders gute und sichere Montagemöglich keit der Polspulen, die auch eine einfache Auswechselung von Polspulen ermöglicht. Der freie Ringraum innerhalb des Polrades ist groß genug, um auch Werkzeuge einzusetzen. Zu bedenken ist, dass die erfindungsgemäßen Elektromotoren bei großen, seegehenden Schiffen in der Größenordnung von 4 bis 20 MW liegen und ein entsprechend großes Polrad besitzen. Die Hauptantriebsaggregate leisten zwischen 20 und 100 MW.

Es ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hohlwelle ein Axiallager aufweist, das vorzugsweise in der Nähe des Elektromotors angeordnet ist. So wird eine feste Axiallage des Polrades erreicht und eine Schubaufnahme des vom Propeller erzeugten Schubes in beide Richtungen ermöglicht (vorwärts/rückwärts).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen „ dass der Elektromotor in beliebiger Drehrichtung und Drehzahl arbeitsfähig ausgebildet ist und z.B. einen unabhängigen Lüfter aufweist. So kann für den zweiten Propeller eine beliebige Drehrichtung gewählt werden. Außerdem ist der zweite Propeller sowohl für Voraus- als auch für Rückwärtsfahrt einsetzbar. Der Elektromotor wird dabei erfindungsgemäß über einen Stromrichter gespeist, so dass er bezüglich seiner Drehrichtung und seines Drehzahlbereiches stufenlos automatisiert an die jeweils günstigsten Verhältnisse zur Schub/Belastungsaufteilung während des Betriebes angepasst werden kann. Dies ist insbesondere wichtig, wenn mit ausgekuppelter (ausgefallener) Hauptmaschine gefahren wird, da dann die notwendigen Drehzahlen sich erheblich von denen unterscheiden, die bei einem Mitlaufen des hinteren Propellers notwendig sind.

Es ist dabei vorgesehen, dass der Elektromotor eine von dem Hauptantriebsaggregat unabhängige Energieversorgung aufweist, z.B. einen unabhängigen Dieselgeneratorsatz oder einen Gas- oder Dampfturbinengeneratorsatz. So ist eine Variabilität der Energieerzeugung für den vorderen Propeller möglich, die es ermöglicht, diesen mit Überschussenergie aus dem Bordnetz zu versorgen oder Überschussenergie aus der Maschinenanlage zu nutzen. Auch die Verwendung des boil-off von LNG-Tankern ist z.B. möglich, um den Treibstoffbedarf der Hauptmaschine zu verringern.

Eine höhere Verfügbarkeit von Elektroenergie im Bordnetz tritt besonders häufig bei Kreuzfahrtschiffen in den gemäßigten Breiten auf, da die Bordnetze von Kreuzfahrtschiffen auch für den Betrieb von Klimaanlagen in tropischen Gewässern oder von Heizungsanlagen in arktischen Gewässern ausgelegt sein müssen. Es steht hier also, ebenso wie bei den LNG-Tankern oder anderen Tankern, eine Leistungsreserve zur Verfügung, die für den Elektromotor genutzt werden kann. Gegenüber einem Generator an der Hauptmaschine haben unabhängige Generatoren oder Antriebsaggregate, wie Gas- bzw. Dampfturbinen, noch den Vorteil, dass bei einem Brand im Maschinenraum diese Antriebsaggregate weiter laufen, wenn eine entsprechende Abschottung der Aufstellungsorte vorgesehen ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor für eine Leistungserzeugung von 10 bis 50 %, insbesondere von 20 bis 40 %, der Vortriebsleistung ausgebildet ist. So wird eine Antriebsredundanz erreicht, die eine Mindestfahrt von ca. 6 – 7 kn bei Ausfall der Hauptmaschine ermöglicht. Es ist weiterhin vorgesehen, dass zumindest einer der beiden Schiffspropeller, insbesondere der vordere Schiffspropeller, in einem Strömungsleitgehäuse, etwa einem Tunnel oder einer Düse, angeordnet ist. So kann ein höherer Schub bei kleineren Schiffsgeschwindigkeiten, wichtig z.B. bei Hafenmanövern gegen den Wind, erreicht werden.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, weitere erfinderische Einzelheiten entnehmbar sind.
Im einzelnen zeigen:
1 die prinzipielle Anordnung des Antriebssystems im Heck eines großen, seegehenden Schiffs,
2 eine Hohlwelle mit aufgeschrumpftem Polrad des Elektromotors,
3 die Strömungsverhältnisse im vorderen und hinteren Propeller und
4 und 5 eine schematische Darstellung der Propellerblattsteigungen der Propeller unter Berücksichtigung der Axial- und Drallvektoren der Propeller in Abhängigkeit von den Propellerradien.
In 1 bezeichnet 1 die Hauptmaschine und 2 den Elektromotor mit seinem Stromrichter 3. Der Stromrichter 3 wird vorteilhaft durch einen Generatorsatz 4, ggf. durch mit Generatorsätze 5, 6, gespeist, die in gezeigter Weise einen Teil des Bordnetzes bilden können. In unmittelbarer Nähe des Elektromotors 2 ist vorteilhaft ein Flansch 9 angeordnet, der für eine Axialpositionierung des Elektromotors 2 sorgt. Das Hauptantriebsaggregat 1, z.B. ein Dieselmotor, wirkt über eine Welle auf den hinteren Propeller 7 und der Elektromotor 2 über eine Hohlwelle auf den vorderen Propeller 8. Die Propeller sind als gleich laufende Propeller gezeichnet und der vordere Propeller ist kleiner als der hintere Propeller ausgebildet. Bei einer kontrarotierenden Ausführung wären beide Propeller etwa gleich groß, aber wegen der Kavitationsneigung des hinteren Propellers und der auftretenden Vibrationen wird diese Ausführung als weniger vorteilhaft angesehen.
Die Hauptmaschine 1 ist in dem angedeuteten Schiffsrumpf 20 angeordnet, der am Heck in eine Hacke 21 ausläuft. Hinter den beiden Propellern 7, 8 ist das Ruder 22 angeordnet, dass an eine Ruderbefestigung 23 angehängt ist. Die Hohlwelle, die nicht näher bezeichnet ist, ist durch die Wellendichtung 24 nach außen geführt, die sich im Endteil des Rumpfes 20 befindet. Mit 25 ist eine schaltbare Trennkupplung bezeichnet.
Die Anordnung des Hauptantriebsaggregats, die Länge der Wellen und die Anordnung der Generatoren sind nur als beispielhaft zu betrachten. Hier ist der jeweilige Schiffskonstrukteur in der Auslegung frei, er wird jedoch zur Erhöhung der Redundanz die Generatorsätze in einen von der Hauptmaschine 1 abgeschotteten Schiffsteil verlegen. Dieser Schiffsteil kann z.B. im Heck, im Bug oder im Bereich der Seitentanks liegen.
In 2 bezeichnet 10 die Hohlwelle und 11 den angeformten Flansch, auf den das Polrad 13 mit den Polen 16 aufgeschrumpft ist. Die Pole 16 sind über Schraubenbolzen 14 mit dem Polrad 13 verbunden und durch den großen, entstehenden Raum 15 einer Hantierung zugänglich. Sie sind durch nicht näher bezeichnete Sicherungselemente gesichert. In der Nähe des Polrades 13 befindet sich ein Drucklager mit einem Flansch 12, das aber auch auf der anderen Seite des Elektromotors mit dem Polrad 13 angeordnet sein kann. Selbst eine Anordnung direkt an der Hauptmaschine ist möglich.
Insgesamt ergibt sich für die Montage des Elektromotors mit dem Polrad 13 und dem Polen 16 eine besonders einfache, sowohl für die Erstmontage als auch für die Reparaturarbeiten besonders geeignete Ausführung, die eine sichere, völlig schwingungsfreie und verschleißfreie Drehmomentübertragung vom Elektromotor auf die Hohlwelle zum Antrieb des vorderen Propellers erlaubt. Die Drehrichtung des Elektromotors ist beliebig. Die Anbringung des Elektromotors und seine Speisung durch einen Stromrichter kann also auch für eine kontrarotierende Ausführung gewählt werden.
Eine kontrarotierende Ausführung ist im Rahmen der Funktion des Zweipropellerantriebs nicht vorgesehen, aber die erfindungsgemäße Hohlwelle mit dem direkt aufgeschrumpften Polrad ist auch für eine kontrarotierende Ausführung vorteilhaft. Eine kontrarotierende Ausführung wird, da der hintere Propeller in den Druckwellen des vorderen Propellers läuft und daher eine erhebliche Vibrations- und Kavitationsneigung auf weist, nicht vorgesehen. Die Mechanik des Zweipropellerantriebs wäre jedoch auch in erfinderischer Weise für einen derartigen Antrieb geeignet, der ggf. für kleinere Schiffe in Frage kommen könnte. Der erfindungsgemäße Antrieb ist für große Tanker oder für große Gefahrgutschiffe besonders geeignet.
Der Schutzbereich der Erfindung umfasst daher die Anbringung und Funktion des Elektromotors auch für kontrarotierende Ausführungen.
In 3 wird das hydrodynamische Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Doppelpropellerantriebes verdeutlicht.
Zwei relativ dicht hintereinander angeordnete Propeller PR1 und PR2 mit den Durchmessern D1 bzw. D2 rotieren gleichsinnig um eine Achse mit den Drehzahlen n1 bzw. n2 und setzen die jeweiligen Input-Leistungen in die Schübe T1 bzw. T2 um. Dabei ist der Durchmesser des zweiten Propellers signifikant größer als der Durchmesser des ersten Propellers.
Der im Schiffsnachstrom arbeitende Propeller PR1 erhält das Wasser mit der Zuströmgeschwindigkeit VA und erteilt dem Wasser eine Zusatzgeschwindigkeit VZ1, so dass der Propeller PR2 im Bereich des Durchmessers des ersten Propellers PR1 das Wasser mit der mittleren Zuströmgeschwindigkeit VA + VZ1 erhält. Im Kreisringgebiet außerhalb des inneren Durchmessers D1 bis zum Durchmesser D2 erhält der zweite Propeller PR2 das Wasser mit der ungestörten Zuströmgeschwindigkeit VA.
Durch die Flügelinduktion der Propellerblätter des ersten Propellers PR1 wird ein Abstrom erzeugt, der das Wasser durch den ersten Propeller PRl nicht nur in axialer Richtung, sondern auch in tangentialer Richtung beschleunigt.
Durch die tangentiale Beschleunigung des Wassers geht ein Teil PT der Inputleistung P1 des ersten Propellers PR1 für die Schuberzeugung verloren (sog. Drallverluste). Bei geeigneter, erfindungsgemäßer Flügelgestaltung des Hinteren Propellers PR2 kann ein gewisser Anteil der Drallverluste PT wieder in axialen Schub umgewandelt werden und somit kann eine Verlustreduktion erfolgen.
Die Geometrie des Propellers PR1 lässt sich nach den üblichen Entwurfskriterien gestalten (optimieren).
Es lassen sich vier Wirkprinzipien des erfindungsgemäßen Antriebes unterscheiden:

1. Normalbetrieb: P2 > = P1, n2 < = n1
2. Redundanzfall mit blockierter Welle des Propellers PR2: n2 = 0, P2 = PT, n2 = 0
3. Redundanzfall mit freilaufender (nicht angetriebener) Welle des Propellers PR2: P2 = PT, n2 beliebig.
4. Redundanzfall mit stehendem oder frei mitlaufendem vorderen Propeller: n1 beliebig.

Vereinfachend wird dabei angenommen, dass die im Strahl des ersten Propellers PR1 enthaltende Drallleistung PT voll für die Schubumsetzung im zweiten Propeller PR2 zur Verfügung steht. Dann entspricht der Wirkungsgrad dem Wirkungsgrad eines kontrarotierenden Propellers, ohne dass die Vibrationen und die Kavitationsneigung des zweiten Propellers in Kauf genommen werden müssen.
Im Redundanzfall 2 mit blockierter Welle wird vom hinteren Propeller kein zusätzlicher positiver Schub T2 erzeugt, sondern dieser Propeller erzeugt einen zusätzlichen nicht unerheblichen Schiffswiderstand (negativer Schub).
Im Durchmesserbereich D1 des ersten Propellers kann bei einer geeigneten geometrischen Ausbildung der hintere Propeller wie ein Leitgitter wirken und somit einen wesentlichen Teil der Drallverluste des ersten Propellers kompensieren.
Der Fall 3 ist mit dem Wirkprinzip des Grimschen Leitrades (gesamte Antriebsleistung wird dem Propeller PR1 zugeführt und der hintere Propeller läuft frei mit bzw. wird von den Drallverlusten des vorderen Propellers angetrieben) identisch. Das Wirkprinzip des Grimschen Leitrades gestattet die Drallverluste in Höhe von 3 bis 15 % für eine zusätzliche Schuberzeugung nutzbar zu machen und so im Vergleich zu einem einfachen Propellerantrieb eine Wirkungsgradsteigerung bis zu 10 % (Literaturangaben) zu ermöglichen.
Alle drei Wirkprinzipien des erfindungsgemäßen Doppelpropellerantriebes haben prinzipiell unterschiedliche geometrischhydrodynamische Forderungen an die wirkungsgradoptimale Gestaltung des hinteren Propellers, insbesondere im Bereich des inneren Durchmessers D1 zur Folge und die (gesamt-)systembedingte Beschleunigung des Wassers, dargestellt als Gesamtzusatzgeschwindigkeit VZ. Dies hängt vom Einsatzfall ab. Je nach Anwendungsfall trägt daher die spezielle Geometrie des hinteren Propellers Kompromisscharakter, wobei durch die Verwendung eines Verstellpropellers für den Fall 2 eine einfache Propellergeometrie mit hohem Wirkungsgrad gewählt werden kann.
Im Vergleich zu kontrarotierenden Anordnungen ist das gleichsinnig angetriebene Zweipropellersystem gemäß der Erfindung deutlich schwingungsärmer, da die Relativgeschwindigkeiten beider Propeller sich einmal proportional zu n1 + n2 (gegenläufiges) und einmal proportional zu n1 – n2 beim gleichläufigen erfindungsgemäßen System verhalten.
Da beim gleichläufigen erfindungsgemäßen System auch eine gewisse Drallreduktion erreichbar ist, bietet auch in diesem Sinne ein gegenläufiges System keine Vorteile, sondern es ergeben sich demgegenüber erhebliche Nachteile.
In den 4 und 5 ist unter Bezugnahme auf die Geschwindigkeitsdarstellung von 3 die spezielle Ausbildung der Propellerblätter der hinteren Propeller in Bezug auf ihre Steigung ersichtlich. Die Geschwindigkeitsvektoren des Dralls sind als gebogene Pfeile dargestellt. Die Propellerblattquerschnitte sind schematisch als über den Durchmesser variierende Steigungsflächen dargestellt.
Die Bezeichnung der Vektoren entspricht den in der Propellertechnik üblichen, dem Fachmann ohne weiteres verständlichen Bezeichnungen.

Claims

Zweipropellerantrieb für große, seegehende Schiffe mit einem vorderen und einem hinteren Propeller, wobei die zwei Propeller unabhängig voneinander gleichachsig und mit gleicher Drehrichtung laufend dicht hintereinander angeordnet sind und wobei sich zwischen dem vorderen und dem hinteren Propeller ein von Strömungsleitelementen freier Raum befindet.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Propeller mit ihren Antrieben mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar ausgebildet sind.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Propeller auf einer ersten (Haupt) Propellerwelle und der andere Propeller auf einer zweiten Propellerwelle angeordnet ist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruchs 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (Haupt) Propellerwelle als Vollwelle und die zweite Propellerwelle als Hohlwelle ausgebildet ist, die um die Vollwelle herum verläuft.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptpropellerwelle im Schiffssteven und die zweite Propellerwelle in der Ruderaufhängung oder im Ruderblatt des Schiffes angeordnet sind.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Propeller unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Propeller im inneren Bereich eine freie Durchtrittsfläche für den Propellerstrahl des vorderen Propellers, also einen Bereich ohne Propellerblattüberdeckung aufweist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Propeller einen Steigungssprung zwischen innerem und äußerem Bereich aufweist, wobei der innere Bereich etwa den Durchmesser des vorderen Propellers aufweist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung und Profilgestaltung des hinteren Propellers im inneren Bereich derart ist, dass die Drallenergie aus dem Wasserstrahl des vorderen Propellers zumindest teilweise in Schubenergie umsetzbar ist.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Propeller als Verstellpropeller ausgebildet ist, insbesondere als Pitch-Propeller mit Segelstellung.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (Haupt) Propellerwelle durch ein Schiffshauptantriebsaggregat, z.B. einen Dieselmotor, angetrieben ist, während die zweite Propellerwelle durch ein zweites Antriebsaggregat, z.B. einen Elektromotor, direkt angetrieben ist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein auf die Hohlwelle aufgeschrumpftes Polrad aufweist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle zur Befestigung eines Polrades des Elektromotors einen angeformten Flansch aufweist, der einen Bestandteil der Hohlwelle bildet.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle zur Befestigung des Polrades einen Klemmflansch aufweist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Polrad des Elektromotors einen angeformten Innenring aufweist, dessen Innendurchmesser um das erforderliche Schrumpfmaß kleiner als der Außendurchmesser des Hohlwellenflansches ist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 12, 13, 14, oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Polrad und der Hohlwelle ein freier Ringraum ausgebildet ist, der die Aufnahme und Hantierung von Sicherungselementen, z.B. Muttern mit Sicherungsringen, für Verschraubungsbolzen von Polspulen des Polrades ermöglicht.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle ein Axiallager aufweist, das vorzugsweise in der Nähe des Elektromotors angeordnet ist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 12, 13, 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor in beliebiger Drehrichtung und Drehzahl arbeitsfähig ausgebildet ist und z.B. einen unabhängigen Lüfter aufweist.
Zweipropellerantrieb nach Anspruch 12, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor über einen Stromrichter gespeist wird.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine von der Hauptmaschine unabhängige Energieversorgung aufweist, z.B. einen unabhängigen Dieselgeneratorsatz oder einen Gas- oder Dampfturbinengeneratorsatz.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor mit dem Bordnetz verbunden ist und daraus gespeist wird.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor für eine Leistungserzeugung von 10 bis 50 % der Vortriebsleistung des Schiffes, insbesondere von 20 bis 40 % der Vortriebsleistung, ausgebildet ist.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schiffspropeller unterschiedliche Steigungen für ihre Propellerblätter aufweisen.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Schiffspropeller in Bezug auf seine Steigungsverhältnisse über den Durchmesser die unterschiedlichen Propellerdurchmesser berücksichtigend ausgebildet ist.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwelle eine schaltbare Trennkupplung (25) aufweist.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für flachgehende Schiffe zumindest einer der beiden Schiffspropeller, insbesondere der vordere Schiffspropeller, in einem Strömungsleitgehäuse, etwa einem Tunnel oder einer Düse, angeordnet ist.
Zweipropellerantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere (Hauptpropeller) einen Düsenring auf etwa dem Durchmessermaß des vorderen Propellers aufweist.