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Die
Erfindung betrifft ein Querstrahlruder nach Art eines Bugmotors
mit Antriebsmitteln in einem im Rumpf, z. B. Kiel bzw. Boden, eines
Schiffs quer zur Schiffslängsrichtung
durchgehenden Vorschubkanal mit Kanalöffnungen an beiden Kanallängsenden.
Das Querstrahlruder ist für
irgendeine Stelle am Bug, in der Mitte und/oder am Heck des Schiffs
vorgesehen. Die Antriebsmittel sollen dazu dienen, das Wasser im
Vorschubkanal in der einen oder anderen Richtung zu beschleunigen.
Die in das Wasser tauchenden Beschleunigungsmittel werden im Folgenden
auch als Vortriebsmittel bezeichnet.
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Querstrahlruder
sind Hilfsantriebe, die unter anderem als Steuer- bzw. Rangierhilfe
im Hafen genutzt werden. Herkömmlich
umfassen die Querstrahlruder Elektromotoren, die ein in dem Vorschubkanal
gelagertes Vortriebselement bzw. eine Wasserschraube, etwa über ein
Kegel-Getriebe, betätigen. Der
Vorschubkanal wird unterhalb der Wasserlinie positioniert. Der zugehörige Antrieb,
z. B. luftgekühlter
Elektromotor, soll mit dem Wasser nicht in Berührung kommen. Zwischen Schraube
und Motor wird daher eine Abdichtung mit Durchführung für die zur Schraube führende Antriebswelle
vorgesehen. Wenn das Vortriebselement im Vorschubkanal aus irgendwelchen
Gründen
gewartet, repariert oder ersetzt werden soll, müssen diese Arbeiten entweder
unter Wasser von außen
her ausgeführt
werden oder das Schiff ist aus dem Wasser zu heben. Beispiele solcher
Querstrahlruder werden beschrieben in
DE 201 20 232 U1 ,
EP 0 328 499 A1 ,
EP 0 115 045 B1 und
US 4 018 181 A .
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Außer den
quer durch den Schiffsrumpf – meist
am Kiel – reichenden
Vorschubkanälen
der Querstrahlruder gibt es auch als Manövrierpropeller bezeichnete
Hilfsschrauben, die über
eine senkrechte Antriebswelle mit Winkelgetriebe von einem im Schiffsrumpf
angeordneten Motor antreibbar sind. Derartige aus
DE 1100497 B bekannte Manövrierpropeller
werden zum Betrieb unten aus dem Schiffboden herausgefahren. Bei
Nichtgebrauch können
sie in den Schiffsrumpf eingezogen werden. Trotzdem muss das Schiff
aus dem Wasser gehoben werden, wenn ein solcher Manövrierpropeller
bzw. eines von seinen Antriebs-, Hebe- oder Schwenkteilen gewartet
werden soll.
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In
DE 20100671 U1 wird
ein motorischer Schiffsantrieb beschrieben, bei dem alle Teile des Vortriebselements
an einem über
der Wasserlinie liegenden Deckel des Schachts befestigt sind. Das
Vortriebselement ist daher zusammen mit seinen Versorgungs- und
Steuerleitungen insgesamt durch Anheben des Deckels aus dem Schacht
heraushebbar, ohne dass das Schiff selbst aus dem Wasser genommen
werden müsste.
Im Bekannten wird ein Vortriebselement vorgesehen, das ähnlich wie
die früheren Manövrierschrauben
zum Betrieb aus dem Schiffsboden heraus nach unten ins Wasser geschoben
wird und bei dem das Vortriebselement bei Nichtgebrauch in den im
Schiffsrumpf vorgesehenen Schacht hinein zu heben ist. Für reine
Querstrahlruder ist die beschriebene Mechanik der vertikal verschiebbar
gelagerten Manövrierschrauben
zu aufwendig, und bei geringer Wassertiefe im Gegensatz zu einem
Querstrahlruder ungeeignet.
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Die
von einem Querstrahlruder geforderte Leistung nimmt mit der Masse
des Schiffs zu. Supertanker besitzen mehrere Querstrahlruder mit
jeweils einem Vorschubkanal von weit mehr als 1 Meter Durchmesser.
Je näher
das jeweilige Querstrahlruder am Bug (oder Heck) eines Schiffs positioniert wird,
um so günstiger
wird der Hebelarm beim Manövrieren
des Schiffs. Die in der Schiffswand vorgesehenen Kanalöffnungen
des jeweiligen Vorschubkanals müssen
bei Betrieb stets insgesamt deutlich unter der Wasserlinie liegen.
Bei Schiffen, die in der Nähe
des Bugs eine geringe Tauchtiefe besitzen, ist für Querstrahlruder mit für die geforderte
Leistung ausreichend großem
Kanalquerschnitt oft nicht genug Platz, so dass das erforderliche
Querstrahlruder in Richtung Bootsmitte verlegt werden muss oder zum
Bereitstellen der geforderten Leistung zwei oder mehr Querstrahlruder
mit jeweils geringerem Kanalquerschnitt – aber entsprechend hohem Aufwand – gebraucht
werden.
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Ein
weiterer Nachteil herkömmlicher
Querstrahlruder ergibt sich daraus, dass die in Strömungsrichtung
vorderen und hinteren Teile der meist runden Kanalöffnungen
des jeweiligen Vorschubkanals einen merklichen Strömungswiderstand
bilden können. Um
diesen bei Vorwärtsfahrt
dauernd wirksamen Widerstand zu eliminieren, können den Kanalöffnungen Verschlüsse zugeordnet
werden, die bei normaler Fahrt des Schiffs in der Ebene der Schiffswand
liegen. Der Aufwand hierfür
ist erheblich. Wenn die Verschlüsse
klemmen, werden sie entweder bei normaler Fahrt nicht wirksam oder
das Querstrahlruder fällt bei
einem Manöver
aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Querstrahlruder zu schaffen,
dessen Vortriebselement vom Inneren des schwimmenden Schiffs her für Wartungen,
Reparaturen und/oder Austausch zugänglich ist.
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Für das eingangs
genannte Querstrahlruder wird die erfindungsgemäße Lösung im Anspruch 1 beschrieben.
Sie besteht vorzugsweise darin, daß im Schiffsinnern ein bis über die
Höhe der
Wasserlinie des Schiffs reichender, den Vorschubkanal umfassender
Schacht mit bis auf Durchführungen
für den Vorschubkanal
geschlossenen Wänden
sowie geschlossenem Boden zur Aufnahme eines Vortriebselements,
wobei die Durchführungen
den Vorschubkanal dichtend umschließen, vorgesehen ist und dass das
Vortriebselement innerhalb des Schachts in dessen (im wesentlichen
vertikaler) Längsrichtung
verfahrbar gelagert ist und im Bereich des Vorschubkanals eine dort
fixierbare Arbeitsposition besitzt. Einige Verbesserungen und weitere
Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß weiterer
Erfindung soll der Schacht einen lösbar oben auf – in einer
Höhe oberhalb
der Wasserlinie – liegenden
Deckel besitzen, an welchem das Vortriebs element mit einer Tragsäule, die die
zugehörigen
Versorgungs- und Steuerleitungen aufnimmt, insgesamt durch Anheben
des Deckels aus dem Schacht heraushebbar befestigt ist. Im Rahmen
der Erfindung wird bevorzugt als Vortriebselement ein Strahlantrieb
bestehend aus einem ringförmigen
Stator und einem darin drehbar gelagerten, ringförmigen, hohlen Rotor vorgesehen,
auf dessen Innenfläche
Antriebsflügel
fixiert sind, die dazu dienen in den Rotor einströmendes Wasser
entgegen der beabsichtigten Vortriebsrichtung zu beschleunigen.
Die Rotor-Innenfläche soll
einen Teil des Vorschubkanals bilden. Der Durchmesser der Rotor-Innenfläche soll
im wesentlichen mit dem Innendurchmesser des Vorschubkanals übereinstimmen.
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Das
erfindungsgemäße Querstrahlruder
wird so ausgebildet, dass sein Vortriebselement aus der Arbeitsposition
im Schacht und damit aus dem Bereich unterhalb der Wasserlinie herauszuheben
ist. Für
diese Manipulation bedarf es weder eines Tauchens zur Außenwand
des Schiffs noch eines Heraushebens des Schiffs aus dem Wasser.
Vielmehr können
Wartung, Reparaturen und/oder ein Austausch des Vortriebselements
vom Schiffsinnern her, sogar bei Fahrt auf See, ausgeführt werden.
Ein Merkmal der Erfindung ist der unten geschlossene Schacht, der
seitliche Öffnungen
für den
Vorschubkanal besitzt. Er ragt innerhalb des Schiffs bis deutlich über die
Wasserlinie nach oben, so dass auch beim Herausheben des Vortriebselements
kein Wasser in das Schiffsinnere einströmen kann. Zugleich reicht der
Schacht bis zur Arbeitsposition des Vortriebselements innerhalb
des jeweiligen Vorschubkanals, also deutlich weit unter die Wasserlinie.
Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Querstrahlruders
befindet sich also das Vortriebselement ständig im Wasser, es kann daher
keine Luft ziehen.
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Das
erfindungsgemäß bevorzugte
Vortriebselement mit hohlem Rotor in einem Stator erfordert keinen
getrennten Antriebsmotor, weil es selbst als Motor ausgebildet ist.
Zum Betrieb des Vortriebselements, z. B. zum Vorgeben der Umdrehungsgeschwindigkeit
und Richtung, genügen
elektrische Steuerleitungen. Ein bevorzugtes Prinzip eines solchen
Antriebs wird beschrieben in
EP 1122165 B1 . Im vorliegenden Zusammenhang
kann jedoch an Stelle eines Asynchronmotors auch ein Synchronmotor
vorgesehen werden.
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Das
Innere des Vorschubkanals steht über die
in der Schiffswand mündenden
Kanalöffnungen mit
dem umgebenden Seewasser in Verbindung. Ferner besitzt der Vorschubkanal
innerhalb des Schachts mindestens eine Öffnung zum Einsetzen oder Herausziehen
eines Vortriebselements. Um ein Eindringen von Wasser durch die
zuletzt genannte Öffnung
in das (Kanal und Schacht umgebende) Schiffsinnere zu verhindern,
wird dafür
Sorge getragen, dass die dem Vorschubkanal zugeordneten Durchführungen
der Schachtseitenwände
den Vorschubkanal dichtend umschließen. Das Schachtinnere steht
dann einteilig und ohne Leck über
seitliche Vorschubkanalteile und Löcher der Schiffswände mit dem
Seewasser in Verbindung. Mit anderen Worten, der Schacht umfasst
den Vorschubkanal als eine bis auf die Löcher zur Schiffswand (und die über der Wasserlinie
liegende obere Schachtöffnung)
geschlossene, leckfreie Einheit.
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Gemäß weiterer
Erfindung ist es vorteilhaft, mindestens zwei mit parallelen Vorschubkanälen nebeneinander
angeordnete Vortriebselemente am Fuß eines gemeinsamen Schachts
vorzusehen. Diese Vortriebselemente bzw. Vorschubkanäle sollen
bevorzugt in einer horizontalen Ebene, z. B. parallel zur Wasserlinie,
positioniert werden. Je nach Konstruktion von Schiffsrumpf bzw.
-wand kann es aber auch günstig
sein, die Ebene schräg
in Bezug auf die Wasserlinie anzuordnen. Weiterhin können die
Vortriebselemente gemeinsam, aber auch unabhängig voneinander im Schacht
anhebbar oder absenkbar gelagert werden. Durch einen solchen „Sammelschacht" werden die Herstellungskosten
pro Antriebseinheit beträchtlich
reduziert.
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Gemäß noch weiterer
Erfindung kann es vorteilhaft sein, – bei zwei oder mehr nebeneinander
in einem gemeinsamen Schacht positionierten Vortriebselementen – die Kanalöffnungen
der zu jeden der Vortriebselemente gehörigen Vorschubkanäle zu einer
gemeinsamen Ausström-
bzw. Ansaugöffnung
in jeder Schiffswand zu vereinen. Dadurch wird der Herstellungsaufwand
weiter vermindert. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass der zusätzliche
Aufwand für das
zweite Vortriebselement nur höchstens
ein Viertel des Aufwands für
das erste Vortriebselement beträgt.
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Durch
die Vereinigung der in den Schiffswänden vorgesehenen Kanalöffnungen
von zwei oder mehr Querstrahlrudern wird überraschend der von den zugehörigen Löchern der
Schiffswand herrührende
Strömungswiderstand
vermindert, weil ein einziges Langloch, das die Kanalöffnungen
von zwei oder mehr parallel zur Wasserlinie aufeinanderfolgenden
Querstrahlrudern umfasst, keinen nennenswert größeren Strömungswiderstand bildet als
ein einziges kreisförmiges
Loch in der Schiffswand, das bisher für jedes einzelne Querstrahlruder
erforderlich war.
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Gemäß weiterer
Erfindung kann der durch die Kanalöffnungen in der Schiffswand
bedingte Strömungswiderstand
auch bereits für
eine einem einzelnen Vortriebselement zugeordnete Kanalöffnung vermindert
werden, wenn die Kanalöffnung
in Fahrtrichtung des Schiffs über
den Querschnitt des Kanals hinaus verlängert wird und die bei Fahrt
die Längsströmung an
der Schiffswand ablenkenden Kanten der jeweiligen Kanalöffnung im
Sinne einer Verminderung des Strömungswiderstandes
angerundet werden. Vorzugsweise sollen dazu die Kanalöffnungen
in Richtung Schiffsheck – eventuell
auch in Richtung Schiffsbug – verlängert werden.
Die jeweilige Anrundung der dem Heck bzw. Bug zugewendeten Umfangsteile
der Kanalöffnung
der Schiffswand soll dabei bereits am Vortriebselement selbst beginnen. Letztlich
wird durch die erfindungsgemäße Anrundung
und gegebenenfalls Verlängerung
der Kanalöffnungen
erreicht, dass die an der Schiffswand bei Fahrt vorbeifließende Strömung praktisch
nicht gestaut wird und daher entsprechende Wirbel nicht entstehen.
Die erfindungsgemäße Anrundung
bzw. Verlängerung
der Kanalöffnungen
der Schiffswand ist anwendbar sowohl bei Querstrahlrudern mit einem einzigen
Vortriebselement als auch bei Querstrahlrudern mit zwei oder mehr
Vortriebselementen, die gemeinsam einer langgestreckten Kanalöffnung jeder Schiffswand
zugeordnet sind.
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Anhand
der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels werden Einzelheiten
der Erfindung erläutert.
Es zeigen
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1 ein
Vortriebselement mit Tragsäule gesehen
in Richtung der Drehachse des Vortriebselements;
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2 das
Vortriebselement nach 1 in einem Schacht;
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3 Schnitt
durch ein Schiff quer zur Schiffslängsrichtung mit Schacht nach 2 und quer
zur Schiffslängsrichtung
durchgehendem Vorschubkanal;
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4 die
Seitenansicht eines Schiffs mit in der Nähe des Kiels und Bugs integriertem
Querstrahlruder;
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5 horizontaler
Schnitt von 4 parallel zur Schiffslängsrichtung;
und
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6 Schnitt
wie 5, aber zum Teil in der Ansicht.
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Das
in 1 und 2 dargestellte, insgesamt mit 1 bezeichnete
Querstrahlruder umfasst ein Vortriebselement 2, eine zugehörige Tragsäule 3 und einen
daran befestigten Schachtdeckel 4. Der dem Schachtdeckel 4 zugeordnete
Schacht 5 wird in 2 gezeichnet.
Er wird so dimensioniert, daß er – bei Verbleib
innerhalb des Bootsrumpfes – das
gesamte Vortriebselement 2 mit Tragsäule 3 aufnehmen kann.
Am oberen Ende des Schachts 5 kann ein Flansch 6 zum
Befestigen des Randes des Deckels 4 vorgesehen werden.
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Die
Darstellung in 1 und 2 zeigt eine
Ansicht bzw. einen Schnitt in einer Richtung parallel zur Drehachse 7 des
Vortriebselements 2. Dieses besteht gemäß Zeichnung aus einem Stator 8 und
einem hohlen Rotor 9, der im Stator 8 gelagert ist.
Die Tragsäule 3 wird
fest mit dem Stator 8 verbunden. Auf der Innenfläche 10 des
Rotors 9 werden Antriebsflügel 11 fixiert, die
sich von der Innenfläche 10 in
Richtung Drehachse 7 erstrecken, im Allgemeinen aber nicht
bis zur Drehachse 7 reichen und nicht miteinander verbunden
sind.
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Das
Vortriebselement
2 kann als Elektromotor mit Kurzschlussläufer gemäß vorgenannter
EP 1122165 B1 ausgebildet
werden. Alternativ kann auch ein (Permanent-) Magnetläufer vorgesehen werden.
Der Läufer
bzw. Rotor soll ohne Draht verbindung zu betreiben sein, damit er
problemlos ins Wasser zu tauchen ist. Die Drahtverbindungen zum
Stator
8 können
abgedichtet in der Tragsäule
3 geführt werden.
An den Rotor
9 schließt
sich in der Zeichnung beiderseits koaxial der sogenannte Vorschubkanal
12 an.
Er kann als Rohrverlängerung
zu beiden Seiten des Rotors
9 angesehen werden und, soll
so lang sein, dass er – ohne
Leck – bis
zu in der Außenhaut
der Schiffswand
13 vorgesehenen Kanalöffnungen, z. B. Rund-Löchern
14,
reicht; die lichte Weite der Rund-Löcher
14 soll dem Kanalquerschnitt
entsprechen.
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3 zeigt
einen vertikalen Schnitt quer zur Schiffslängsrichtung mit durchgehendem
Vorschubkanal 12. Zu beachten ist dabei die Ausrichtung
des Kanals 12 mit einer Neigung a (z. B. 2–10°) schräg nach unten.
In der 2 wird die Neigung (ohne Beschränkung der
Allgemeinheit) nur auf der einen Seite dargestellt. Durch einen
geneigten Strahlanstoß wird
erreicht, dass bei Pendelbewegungen (Stampfen oder Rollen) des Schiffs
der Strahl des Querstrahlruders immer in das Wasser hineingerichtet
ist.
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4 zeigt
beispielhaft einen vertikalen Längsschnitt
durch ein Schiff 15 im Bereich von dessen Bug 16 und
Kiel 17. Die Wasserlinie des Schiffs 15 wird mit 18 bezeichnet.
Der Schacht 5 umfasst in diesem Fall zwei Vortriebselemente 2a und 2b mit Antriebsflügeln 11.
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Wenn
an dem als Beispiel dargestellten Bugmotor Wartungs- oder Reparaturarbeiten
ausgeführt werden
sollen, braucht nach 2 oder 4 lediglich
der Schachtdeckel 4, z. B. nach Lösen der Schrauben 19,
angehoben zu werden. Aus dem Schacht 5 wird dann zugleich
mit der am Deckel 4 befestigten Tragsäule 3 das eigentliche
Vortriebselement 2 (bzw. 2a, 2b) herausgehoben.
Die in 3 sichtbaren, einen Teil des Vorschubkanals 12 bildenden
seitlichen Verbindungsrohre 20 zwischen Schacht 5 und
Außenhaut
der Schiffswand 13 bleiben jedoch, ebenso wie der Schacht 5 selbst,
an Ort und Stelle.
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In
der Ausgestaltung nach 4 (vergleiche auch 5 und 6)
wird das erfindungsgemäße Querstrahlruder 1 gekennzeichnet
durch mindestens zwei Vortriebselemente 2a und 2b in
zwei parallelen Vorschubkanälen 12a und 12b,
die parallel zueinander in einer Ebene annähernd parallel zu Wasserlinie 18 durch
den Schiffsrumpf reichen und innerhalb eines gemeinsamen Schachts 5 an
Tragsäulen 3 in
der Arbeitsposition (im jeweiligen Vorschubskanal 12a, b)
zu fixieren bzw. vom Schiffsinnern her aus dem Wasser heraus zu
heben sind. Die beiden Vortriebselemente 2a, b und die
zugehörigen
Vorschubkanäle 12a,
b münden
mit ihren Ansaug- bzw. Ausströmöffnungen
in Lang-Löchern 21 der
Schiffwand 13. Ein solches Lang-Loch 21 kann zwei
Vortriebselementen bzw. Vorschubkanälen zugeordnet werden. Der Schacht 5 nach 4 wird
im Prinzip ebenso aufgebaut wie in 2, er ist
jedoch – in
der Zeichnungsebene – so
breit, dass oberhalb seines (geschlossenen) Bodens 22 Platz
für zwei
oder mehr Vortriebselemente 2 ist. In den der jeweiligen
Schiffswand 13 zugewendeten Wänden des Schachts 5 soll
ein dem Lang-Loch 21 entsprechendes Lang-Loch, in das der Vorschubkanal
abgedichtet eingepasst ist, vorgesehen werden. Grundsätzlich umfasst
die Erfindung auch den Fall von zwei oder mehr zu einem Sammelkanal
vereinigten Vorschubkanälen 12a und 12b,
wobei der Sammelkanal einen Querschnitt wie die in 5 und 6 gezeichneten
Langlöcher 21 haben kann.
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Die
Vorwärts-Fahrtrichtung 23 des
Schiffs wird in 4 bis 6 durch
einen Pfeil angedeutet. Wenn der Vorschubkanal 12 nach 3 oder
wenn die beiden Vorschubkanäle 12a,
b nach 4 bis zur Schiffswand 13 reichen, könnten sich
an in Fahrtrichtung 23 aufeinanderfolgenden Kanalkanten 24, 25 Wirbel
bilden und einen Strömungswiderstand
darstellen. Um derartige Wirbel im wesentlichen zu vermeiden, werden
die Kanalöffnungen
bzw. Löcher 14 und 21 in
Fahrtrichtung 23 des Schiffs 15 über die Querschnitte
des jeweiligen Kanals 12 bzw. 12a, b hinaus verlängert. Die
entsprechenden heckseitigen Erweiterungen werden in 5 und 6 als
Beispiel mit 26 bezeichnet. Die dem Schiffsheck zugewandten
Kanal-Kanten 24 werden nach 5 und 6 vorzugsweise
nicht nur (in Richtung Heck) verlängert sondern auch im Sinne
der Vermeidung von Wirbeln angerundet. Vorzugsweise soll die Anrundung 28 – wie in 5 bzw. 6 dargestellt – wie ein
Radius am ei gentlichen Vortriebselement 2 bzw. 2a,
b selbst ansetzen und etwa tangential in der Schiffsaußenwand 13 auslaufen.
Zum Vermeiden von Wirbeln kann die bugseitige Kanalkante 26 ähnlich ausgestaltet
werden, beispielsweise kann auch hier eine Anrundung 29,
die ebenfalls am Vorschubelement bzw. an dessen Rotor beginnt und
als eine Art Radius tangential in der Schiffsaußenwand ausläuft, vorgesehen
werden.
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- 1
- Querstrahlruder
- 2
- Vortriebselement
- 3
- Tragsäule
- 4
- Schachtdeckel
- 5
- Schacht
- 6
- Flansch
- 7
- Drehachse
- 8
- Stator
- 9
- Rotor
- 10
- Innenfläche (9)
- 11
- Antriebsflügel
- 12
- Vorschubkanal
- 13
- Schiffswand
- 14
- Rund-Loch
- 15
- Schiff
- 16
- Bug
- 17
- Kiel
- 18
- Wasserlinie
- 19
- Schraube
- 20
- Verbindungsrohr
- 21
- Lang-Loch
- 22
- Schachtboden
- 23
- Fahrtrichtung
- 24,
25
- Kanal-Kanten
- 26
- Erweiterung
- 28,
29
- Anrundung