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Die
Erfindung betrifft einen Triebwerksaufbau für ein Schiff, aufweisend:
- – zumindest
einen Triebwerksrumpf, der mechanisch mit einer Stützstrebe
verbunden ist, die dazu dient, unter dem Kiel eines Schiffs montiert zu
werden,
- – eine
Schiffsschraube, die auf der Rückseite
des Antriebsrumpfs vorgesehen ist und zumindest zwei Schaufeln aufweist
und drehfest mit einer Transmissionswelle versehen ist, die mit
einem Motor verbunden ist.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung einen kompakten Triebwerksaufbau vom Typ
POD (Propulsion Oriented Drive bzw. vortrieborientierter Antrieb), bei
welchem die Stützstrebe
dazu vorgesehen ist, schwenkbar unter dem Kiel des Schiffes angebracht zu
werden. Soweit die vorstehend genannten Teile als vorne und hinten
am Schiff liegend bezeichnet sind, bezieht sich diese Definition
auf den Bug und das Heck des Schiffes, d. h., dass das vordere Teil des
Schiffes zumindest dann zum Bug des Schiffes weist, wenn der Antriebsaufbau
den Vortrieb des Schiffes gewährleistet.
Bei den meisten Triebwerksaufbauten vom Typ POD ist die Schraube,
im Gegensatz zu einem erfindungsgemäßen Triebwerksaufbau, am Bug
des Schiffes angeordnet, wie beispielsweise in der Patentanmeldung
WO 9914113 beschrieben.
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Üblicherweise
sind herkömmliche
Triebwerksaufbauten vom Typ POD für Schiffe nicht dazu bestimmt,
in der Heckwelle zu arbeiten, und sie weisen dem gegenüber eine
Stützstrebe
auf, die ausreichend hoch ist, damit die Schraube außerhalb
der Grenzschicht des Kielwassers zu liegen kommt. Herkömmliche
Triebwerksaufbauten vom Typ POD sind üblicherweise zumindest auf
Grund der Tatsache platzraubend, dass zwischen dem Rumpf des Boots und
der Schiffsschraube viel Platz erforderlich ist. Außerdem unterliegen
diese Triebwerksaufbauten üblicherweise
Vibrations- und Kavitationsphänomenen, wobei
die Kavitation besonders ausgeprägt ist,
wenn der Triebwerksaufbau sich in Rotation befindet. Bei der Kavitation
handelt es sich um ein Phänomen, demnach
Dampfblasen am Ende der Schaufeln einer Schiffsschraube niederprasseln.
Bei einem hydrodynamischen Schiff ändert die Kavitation das Leistungsvermögen der
Antriebssysteme, induziert Vibrationen, löst die Erosion der sich drehenden
Teile aus und führt
zu einer Schallabstrahlung, welche die akustische Unauffälligkeit
eines Schiffes beeinträchtigt.
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Aus
bestimmten Ausführungsformen
des Standes der Technik, und insbesondere aus der Patentschrift
EP 1270404 ist ein Triebwerksaufbau
der einleitend genannten Art bekannt, bei welchem eine Schiffsschraube
eines kompakten zusätzlichen
Antriebs vom Typ POD hinter dem Triebwerksrumpf angeordnet ist.
Diese Schiffsschraube dient außerdem dazu,
im Kielwasser einer weiteren Schiffsschraube zu arbeiten, die als
Hauptschiffsschraube bezeichnet wird und auf einer stationären Welle
angebracht ist, welche unter dem Kiel des Schiffes zu liegen kommt. Die
Hauptschiffsschraube ist dazu vorgesehen, den größten Teil der Antriebskraft
zu liefern, beispielsweise dank eines Dieselmotors, der in dem Schiff
vorgesehen ist, während
die zusätzliche
Schiffsschraube des POD-Triebwerks dazu vorgesehen ist, entweder eine
zusätzliche
Antriebskraft oder eine direktive Kraft bereitzustellen, wenn dieser
Antrieb zum Steuern des Schiffes verschwenkt wird. In Übereinstimmung
mit Ausführungsformen,
die eine Anordnung von Querrudern um den Triebwerksrumpf vorsehen, ist
diese Anordnung entweder vor dem Triebwerksrumpf oder hinter demselben,
jedoch lediglich bis auf die Höhe
des zentralen Teils der Stützstrebe
angeordnet. Die Funktion dieser Querruder besteht darin, den Antriebswirkungsgrad
zu verbessern, in dem die axiale Komponente der Rotationsenergie
der Wirbelströmung
rückgewonnen
wird, welche durch die Hauptschiffsschraube erzeugt wird, und sie
müssen deshalb
relativ nahe an der Hauptschiffsschraube zu liegen kommen. Es kann
eine kleine Neigung der Querruder zur Achse des Triebwerksrumpfes
vorliegen, um die Energierückgewinnung
zu verbessern.
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Während ein
derartiges Triebwerks vom Typ POD insbesondere kompakt ist, bleibt
der gesamte Triebwerksaufbau, der die Hauptschiffsschraube einschließt, platzraubend
und fordert einen relativ großen
Tiefgang unter dem Kiel in derselben Weise wie bei herkömmlichen
Triebwerksaufbauten vom Typ POD.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, den Tiefgang unter dem Kiel eines Schiffes
zu verringern, welches zumindest ein Triebwerk mit einer Schiffsschraube aufweist,
die auf den Triebwerksrumpf angebracht ist, und zwar relativ zu
herkömmlichen
Lösungen.
Zu diesem Zweck zielt die Erfindung darauf ab, einen Triebwerksaufbau
zu schaffen, der nahe am Kiel liegend angeordnet werden kann, und
insbesondere einen kompakten Aufbau vom Typ POD hat. Um die vertikale
Kompaktheit des Antriebsaufbaus zu verbessern, zielt die Erfindung
darauf ab, die Höhe
der Stützstrebe
des Triebwerkrumpfes zu verringern, um die Schiffsschraube so nahe
wie möglich
am Kiel anordnen zu können,
und dies alles unter Vermeidung von Kavitationsphänomenen.
Schließlich
zielt die Erfindung darauf ab, den Wirkungsgrad des Triebwerksaufbaus
zu verbessern und die Kosten von zumindest dem Antriebsteil dieses
Aufbaus zu verringern.
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Um
diese Aufgaben zu lösen
schlägt
die Erfindung einen kompakten Triebwerksaufbau vor, der auf dem
Prinzip einer Propellerpumpe funktioniert, d. h., der den Antrieb
des Schiffes dank einer Zwangsverschiebung des Wassers in der Düse gewährleistet.
Die Propellerpumpentechnik ist durch Düsenflugzeuge inspiriert, insbesondere
in sofern, als sie die Steuerung der eintretenden Strömung betrifft
und indem sie ein System nutzt, welches sich auf die Wasserrückströmung aufwirkt,
um Kavitationsprobleme zu vermeiden. Eine Propellerpumpe arbeitet
mit Flüssigkeitsdurchsatz,
während
eine klassische Schiffsschraube mit Flüssigkeits ausstoß arbeitet.
Es wird bemerkt, dass, während
das Antriebsprinzip durch eine Propellerpumpe seit langer Zeit auf
Unterwasserfahrzeuge angewendet wird, die Positionierung einer Propellerpumpe
im Kielwasser eines Unterwasserfahrzeugs die Erzielung eines guten
Wirkungsgrades erlaubt, und zwar unter Verringerung akustischer Störeinwirkung.
Ferner sind insbesondere aus der
US-Patentschrift
4 600 394 Anwendungen der Propellerpumpe auf Außenbordmotoren
und Innenbordmotoren für
Boote bekannt.
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Es
wird bemerkt, dass es nicht ausreicht, eine klassische Schiffsschraube
mit einer Verkleidung in Form einer Düse zu versehen, um eine Propellerpumpe
zu verwirklichen. Aus dem Stand der Technik ist es an sich bekannt,
beispielsweise aus dem
US Patent
6 062 925 , dass die Antriebskraft einer Schiffsschraube,
die an einem Antriebsrumpf angebracht ist, durch Installation einer
Verkleidung in Form einer Düse
um die Schiffschraube gesteigert werden kann. Eine derartige Installation
erlaubt jedoch keinesfalls die Verwirklichung einer Propellerpumpe,
weil insbesondere die Form der Schaufeln in einer Propellerpumpe
für diese
Technik spezifisch ist und sich deutlich von den Ausführungsformen
unterscheidet, die für
herkömmliche
Schiffsschrauben eingesetzt werden.
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Schließlich ist
aus der Patentschrift
DE 101 58320 ein
Triebwerksaufbau vom Typ POD für
ein Schiff bekannt, der eine Propellerpumpe einsetzt, deren Propellerrotor
um den Startor des Elektromotors der Pumpe angeordnet ist. Der Motor
ist dadurch komplementär
von der Düse
der Pumpe umgeben, welche an der Stützstrebe des POD-Aufbaus angebracht
ist. Durch eine derartige Architektur wird der Durchmesser des Propellerrotors
unvermeidlich größer bei
zunehmender Größe des Motors
und damit zunehmender Kraft bzw. Leistung. Für einen Elektromotor großer Leistung
(beispielsweise in der Größenordnung
von 10 MW) bringt die Abmessung, die daraus für den Propellerrotor resultiert,
einen relativ großen
Durchmesser für
die Düse
mit sich, um ei nen ausreichenden Querschnitt für den Wasserdurchfluss in der
Pumpe zu bewältigen.
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Aus
dieser Architektur resultiert eine relativ große hydrodynamische Schleppe
für den
Triebwerksaufbau und damit ein sehr mäßiger Antriebswirkungsgrad,
was einen wesentlichen Nachteil darstellt. Andererseits gestaltet
sich die Kühlung
des Elektromotors, insbesondere eines Motors großer Leistung, sehr schwierig
im Fall eines herkömmlichen POD-Aufbaus,
dessen Motor in einem Triebwerksrumpf unter Abstand zu der Schiffsschraube
angeordnet ist. Tatsächlich
ist es in einem herkömmlichen POD-Aufbau bekannt, den
Motor durch eine Zwangszirkulation von Luft zu kühlen, die in den Triebwerksrumpf über das
Innere der Stützstrebe
mitgenommen wird.
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Während ein
derartiger POD-Aufbau mit Propellerpumpe es ermöglicht, bestimmte Aufgaben
zu lösen,
die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, wie insbesondere
Kavitationsprobleme zu vermeiden, erlaubt er es nicht, einen Triebwerksaufbau, und
insbesondere einen Aufbau hoher Leistung zu schaffen, der einen
relativ kompakten Durchmesser besitzt und der einen Antriebswirkungsgrad
aufweist, der zumindest gleich demjenigen eines herkömmlichen
POD-Aufbaus derselben Leistung ist. Die vorliegende Erfindung zielt
außerdem
darauf ab, die Nachteile einer derartigen POD-Aufbauarchitektur mit
Propellerpumpe zu überwinden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung bildet demnach ein Antriebsaufbau der
einleitend genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine
Düse umfasst,
welche die Schiffsschraube und den Querruderkranz zumindest teilweise
derart umgibt, dass die Schaufeln jeweils ein Ende mit einem Rand
aufweisen, der zur Innenwand der Düse zumindest auf gleicher Höhe angebracht
ist, damit die Schiffsschraube den Rotor einer Propellerpumpe bildet,
und derart, dass der Querruderkranz in ei ner Zone enthalten ist,
die zwischen den zentralen Teil Stützstrebe und der Schiffsschraube
zu liegen kommt.
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Die
durch die Querruder und die Düse
gebildete Anordnung bilden den Stator der Propellerpumpe. Eine Statorpumpe
dreht üblicherweise
mit einer um 50 bis 100% größeren Geschwindigkeit
als eine herkömmliche
Schiffsschraube äquivalenter
Leistung, wodurch das Drehmoment des Antriebsmotors der Schiffsschraube
bzw. des Propellers um 50 bis 100% verringert werden kann und dadurch
eine Verringerung des Durchmessers des Motors (im Falle eines Elektromotors)
in Bezug auf einen herkömmlichen
POD-Aufbau um 20 bis 40% verkleinert werden kann. In dem erfindungsgemäßen Triebwerksaufbau erlaubt
die Verringerung des Motordurchmessers eine Verringerung des Durchmessers
des Triebwerkrumpfes und der Masse des Aufbaus für die Ausführungen, bei welchen ein Motor
in dem Triebwerksrumpf untergebracht ist. Die Verringerung des Durchmessers
des Triebwerkrumpfes erlaubt es, die hydrodynamische Schleppe des
Antriebsaufbaus zu verkleinern und damit den Antriebswirkungsgrad
zu vergrößern.
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Andererseits
sind der Motor und der größte Teil
des Rauminhalts des Triebwerkrumpfes stromaufwärts von der Propellerpumpe
in Bezug auf die Wasserströmung
angeordnet. Dies erlaubt es, dass die Schraube bzw. der Propeller
eine relativ kompakte Narbe aufweisen kann und es kann ein ausreichender
Querschnitt für
die Schraube bzw. den Propeller der Pumpe gewonnen werden, ohne
das es notwenig wäre,
die hydrodynamische Strömung
zu kompromittieren, indem der Durchmesser der Düse übermäßig vergrößert wird. Bei einem Elektromotor einer
Leistung höher
als 10 MW, der in dem Triebwerksrumpf angeordnet ist, kann typischerweise
ein erfindungsgemäßer Triebwerksaufbau
mit einer Düse
verwirklicht werden, deren Innendurchmesser im Wesentlichen dem
Durchmesser der Schraube bzw. des Propellers entspricht, und der
in der Größenordnung
des Durchmessers des Triebwerksrumpfes liegt. Dies erlaubt es, einen
ausreichenden Querschnitt für
die Schraube bzw. den Propeller, um in der Pumpe einen guten Wasserdurchsatz
zu gewährleisten,
und dies bei einer relativ schwachen hydrodynamischen Schleppe für den Antriebsaufbau
im Vergleich zu einer Vorrichtung gemäß dem Patent
DE 101 58320 .
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Da
die Möglichkeit
besteht, dass die Propellerpumpe im Kielwasser des Schiffes ohne
Kavitationsphänomen
arbeitet, kann die Höhe
der Stützstrebe
verringert werden, was ebenfalls dazu beiträgt, den Aufbau kompakter zu
machen. Die Propellerpumpe kann nahe am Kiel des Schiffes angeordnet werden,
weil sie keine vibrationserzeugenden Druckpulsationen auf den Rand
des Schiffes überträgt. Dies
drückt
sich vorrangig darin aus, dass der Wasserfluss bzw. die Wasserströmung durch
den Startor der Propellerpumpe organisiert wird, was es erlaubt, dass
die Wassereintrittsgeschwindigkeit auf Höhe des Rotors in der Kammer
homogenisiert wird welche den Rotor vom Startor trennt. Die remanenten
Druckpulsationen, die durch die Propellerpumpe erzeugt werden, sind
folglich relativ schwach. Andererseits werden diese Pulsationen
auf der Höhe
der Düse
der Pumpe abgeschwächt
und ihre Stoßkraft
auf den Kiel des Schiffes ist ausreichend schwach, um keine Vibration
am Rand des Schiffes zu erzeugen. Die Wasserschleppe unter dem Kiel
kann dadurch schwächer ausgeprägt sein
als bei einem herkömmlichen POD-Aufbau,
was eine größere Flexibilität bei der Konstruktion
der hinteren Formen des Schiffes erlaubt. Die Tatsache, dass die
Propellerpumpe im Inneren der Schichtgrenze des Kielwassers des
Schiffes angeordnet werden kann, bietet den Vorteil, dass der Antriebswirkungsgrad
in Bezug auf eine Anordnung außerhalb
dieser Schichtgrenze vergrößert werden
kann. Im Inneren dieser Schichtgrenze ist die Wassergeschwindigkeit
am Einlass der Propellerpumpe verringert in Bezug auf eine Anordnung
der Pumpe außerhalb
dieser Schicht, wodurch die Differenz zwischen den jeweiligen Geschwindigkeiten
am Auslass der Düse
und am Einlass der Pumpe vergrößert ist,
wodurch der Stoß verstärkt ist,
der durch den Rotor der Pumpe erzeugt wird. Es wird bemerkt, dass die
Stärke
der Grenzschicht mit der Geschwindigkeit und Größe des Schiffes größer wird.
Bei der Kreuzfahrtgeschwindigkeit des Schiffes ist das Kielwasser am
ausgeprägtesten
und der Antriebswirkungsgrad ist dadurch in Bezug auf geringere
Geschwindigkeiten größer. Bei
dem erfindungsgemäßen kompakten Antriebsaufbau
bilden die Flügel
bzw. Schaufeln Fluss- bzw. Strömungsausrichtungsmittel
für die
Propellerpumpe. Die Anordnung der Schaufeln bzw. Ruder in einer
Krone kommt in einer Zone zu liegen, die in Längsrichtung hinter dem zentralen
Teil der Stützstrebe
zu Liegen kommt und damit ausreichend nahe an der Schraube bzw.
dem Propeller. Aktuell wird der zentrale Teil einer Stützstrebe
als derjenige Teil definiert, der einen Hohlraum umfasst, welcher
mit dem Inneren des Kiels des Schiffes kommuniziert.
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Besonders
geeignet ist ein erfindungsgemäßer Triebwerksaufbau
für ein
Schiff, in welchem die Stützstrebe
des Triebwerksrumpfes dazu vorgesehen ist, schwenkbar unter dem
Kiel des Schiffes angebracht zu werden, wodurch der Antriebsaufbau den
Typ POD einnimmt. In einem Schiff, das mit mehreren erfindungsgemäßen Antriebsaufbauten
versehen ist, kann zumindest ein Aufbau vom Typ POD vorgesehen sein,
der um 360° schwenkbar
und hinter dem Schiff in seinem Kühlwasser zu liegen kommt, um
die Steuerung des Schiffes zu gewährleisten sowie gegebenenfalls
einen Bremsstoß,
ohne die Drehrichtung des Rotors dieses Aufbaus umzukehren.
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Die
Erfindung, ihre Merkmale und ihre Vorteile werden nunmehr unter
Bezug auf die Figuren nachfolgend näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Antriebsaufbaus
vom Typ POD in einer Vertikalebene welche die Längsachse des Triebwerksrumpfes
enthält.
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2 zeigt
schematisch eine perspektivische Ansicht des Antriebsaufbaus von 1.
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3 zeigt
schematisch eine Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Antriebsaufbaus
von oben, bei welchem das hintere Ende der Tragstütze ein
Strömungsorientierungsruder
bildet.
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4 zeigt
schematisch eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Antriebsaufbaus
von Typ POD, der zwei identische nebeneinander liegende Antriebe
umfasst.
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1 zeigt
eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Antriebsaufbaus 1 im
Längsschnitt entlang
einer Ebene welche durch die Längsachse
X des Triebwerksrumpfes 2 und die Schwenkachse Y des Aufbaus 1 gebildet
ist. Dieser Aufbau 1 ist unter dem Kiel 10 eines
Schiffes installiert, wobei der Triebwerksrumpf 2 in herkömmlicher
Weise mit einer Stützstrebe 3 verbunden
ist, welche schwenkbar an einem abgedichteten Lager 9 angebracht
ist, welches den Rumpf des Schiffes quert. In der bevorzugten Ausführungsform
gemäß dieser
Figur ist der Triebwerksrumpf 2 so belassen, dass er einen
Elektromotor 8 aufnehmen kann, dessen (nicht gezeigter) Rotor
drehfest mit der Antriebswelle 11 der Schraube bzw. des
Propellers 4 verbunden ist. Die Welle 11 ist entlang
der Achse X dank eines Lagers 12 gehalten. In an sich bekannter
Weise sind der Triebwerksrumpf ebenso wie die Stützstrebe 3 derart
profiliert, dass die hydrodynamische Strömung des Wasserstroms, dargestellt
durch die Pfeile F, optimiert ist.
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Wie
auf diesem Gebiet der Technik bekannt, kann auch eine andere Ausführungsform
in Betracht gezogen werden, bei welcher der Motor im Inneren des
Schiffsrumpfes zu liegen kommt, wobei ein mechanisches Übertragungssystem
mit Winkelgetriebe vorgesehen ist, um die Rotation des Motors auf
die Antriebswelle der Schraube bzw. des Propellers zu übertragen.
In einem erfindungsgemäßen Antriebsaufbau
ist es nicht zwangsweise erforderlich, dass die den Triebwerksrumpf
tragende Stütze
relativ zu dem Kiel des Schiffes schwenkbar ist. Im Fall einer Ausführungsform
mit einer stationären
Stützstrebe
ist es zweckmäßig, zumindest
eine weitere stationäre Verbindungsstrebe
vorzusehen, um die Düse
direkt mit dem Kiel zu verbinden und die mechanische Verbindung
zwischen dem Antriebsaufbau und dem Kiel zu verstärken. Diese
weitere Stütze
kann eine geringe Abmessung aufweisen, weil die Düse bevorzugt sehr
nahe am Kiel zu liegen kommt. Die Orientierung bzw. Ausrichtung
des Schiffes kann durch spezielle Orientierungsmittel gewährleistet
werden, die von dem Antriebsaufbau getrennt vorliegen, oder auch
in Übereinstimmung
mit dem Prinzip, welches in dem Patent
EP 1 270 404 gezeigt ist, und welches
die Verwirklichung eines hilfsweise ausrichtbaren kompakten Antriebsaufbaus
vom Typ POD verwirklicht ist.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das abgedichtete
Lager 9 vorgesehen, damit die Stützstrebe 3 verschwenken
kann, um die Steuerungsfunktion für das Schiff zu gewährleisten.
Die Verschwenkung der Stützstrebe 3 kann
insbesondere bis 180° unter
Bezug auf die normale Antriebsstellung vorgesehen sein, welche in
der Figur gezeigt ist, um in eine Antriebsstellung entsprechend
der Betriebsart "Bremsung" durch einen Stoß zu gelangen, der
entgegengesetzt zum Vortrieb des Schiffes verläuft. Eine derartige "Betriebsartbremsung" kann auch im Fall
eines nicht schwenkbaren Stützstrebe 3 oder
einer geringfügig
verschwenkbaren derartigen Strebe durch einen starken Stoß im Rückwärtsgang erzielt
werden, indem die Schraube 4 sich umgekehrt drehen gelassen
wird.
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Um
die Schiffsschraube zu verwirklichen umfasst der Antriebsaufbau
eine Strömungsorientierungsruderanordnung,
wie etwa mit den Rudern 52 und 52, die an dem
Triebwerksrumpf 2 befestigt sind, wobei diese Anordnung
einen Kranz 5 bildet, der im Wesentlichen senkrecht zur
Achse X des Triebwerksrumpfes verläuft und in einer Zone Zx enthalten
ist, die in Längsrich tung
zwischen der Stützstrebe 3 und der
Schraube 4 zu liegen kommt. In einem erfindungsgemäßen Antriebsaufbau
kommt diese Zone Zx üblicherweise
zwischen dem zentralen Teil der Stützstrebe und der Schraube zu
liegen, wie nachfolgend unter Bezug auf 3 erläutert. Bevorzugt
ist der Kranz 5 aus zumindest fünf Schaufeln gebildet und die
Schraube umfasst zumindest vierzehn Ruder. Diese Strömungsausrichtungsschaufeln
bzw. -ruder können
ausreichend nahe an der Schraube angeordnet sein, um Wasserströmungslinien
in geeigneten Richtungen auszurichten, welche an der Schraube anlangen.
Sie sind nicht notwendigerweise identisch.
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Andererseits
umgibt eine Düse 6 die
Schraube bzw. den Propeller 4 und den Querruderkranz 5. Wie
unter Bezug auf 2 nachfolgend erläutert, sind
das Einlassprofil der Düse 6 sowie
die Orientierung bzw. Ausrichtung jedes Ruder bzw. jeder Schaufel
bevorzugt auf die Kielwasserkarte des Schiffes unter Kreuzfahrgeschwindigkeit
ausgerichtet. Es wird bemerkt, dass die Düse an dem gesamten Stoß aufgrund
ihres Eigenauftriebs teilnimmt. Die Schaufel bzw. der Propeller
umfasst eine Nabe 13, welche in Bezug auf die Welle 11 drehfest
ist, wobei auf der Nabe die Schaufeln 14 angeordnet sind.
Jede Schaufel 14 weist ein Ende mit einem Rand 7 auf,
der zur Innenwandung der Düse
auf gleicher Höhe
angeordnet ist. Der Kranz 5 und die Düse 6 bilden dadurch den
Stator der Propellerpumpe, wobei der Propeller bzw. die Schaufel 4 ihrerseits
den Rotor der Pumpe bildet.
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Vorteilhafterweise
besitzt die Düse
einen allmählich
in Richtung nach hinten abnehmenden Querschnitt und besitzt eine
konvergierende divergierende Form, die funktionsmäßig an die
Kreuzfahrtgeschwindigkeit angepasst ist, welche für das Schiff
vorgesehen ist, um den Antriebswirkungsgrad zu verbessern. Andererseits
weisen die Ruder ein geneigtes Profil auf, um ihren hydrodynamischen
Widerstand zu verringern. Wie aus 1 hervorgeht,
ist es deshalb lediglich erforderlich, dass der vorde re Teil der
Düse über die
gesamte Längszone
Zx sich zur Positionierung des Kranzes 5 erstreckt. Die
vordere Begrenzung dieser Zone ist durch einen punktierten Strich
auf derselben Achse X dargestellt wie das vordere Ende der Ruder.
Es kann jedoch auch in Betracht gezogen werden, noch stärker profilierte Ruder
zu verwenden und dadurch die Tiefe der Zone Zx zur Positionierung
des Querruderkranzes 5 deutlich zu vergrößern.
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Zumindest
drei Strömungsorientierungsruder
bzw. Strömungsausrichtungsruder
sowie bevorzugt sämtliche
Ruder des Kranzes
5 werden dazu verwendet, eine gute Fixierung
der Düse
6 am
Triebwerkrumpf
2 zu gewährleisten,
wodurch ein geringes Spiel zwischen den Rändern
7 der Enden
des Schaufeln
14 der Schraube und der Innenwandung der Düse gewährleistet
ist. In der in
1 gezeigten Ausführungsform
sind die Schaufeln
14 sämtliche
identisch und der Rand
7 des Endes einer mit der Düse fluchtenden
Schaufel ist durch zwei spitze Winkel derart begrenzt, das der krummlinige
Längsverlauf, der
mit der Düse
fluchtet, unter Bezug auf die gesamte Länge des Umrisses der Schaufel
maximiert ist. Es ist an sich bekannt, dass eine derartige Winkelform der
Außenränder der
Schaufeln vorteilhaft ist für
die Propellerpumpentechnik. Der Pumpenrotor, der durch die Schraube
4 gebildet
ist, umfasst zumindest zwei Schaufeln
14. Simulationen
auf Berechnungsbasis zeigen, dass es nicht von Belang ist, dass
ein Rotor durch eine einzige verdrehte Schaufel nach dem Ausführungsprinzip
gebildet ist, das aus dem Patent
US
4 600 394 hervorgeht.
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Vorteilhafterweise
ist die Distanz Dy zwischen der Düse 6 der
Propellerpumpe und dem Kiel 10 des Schiffes so definiert,
dass die Schraube 4 im Kielwasser des Schiffes in optimaler
Weise arbeitet. Demnach ist es vorteilhaft, den Antriebsaufbau im Kielwasser
des Schiffes anzuordnen, wobei bevorzugt vermieden wird, dass das
Kielwasser dickflüssig wird,
was eine starke Verminderung für
die Strömungsgeschwindigkeit
des Wassers im Bezug auf das Schiff mit sich bringen würde. Abgesehen
von dem Vorteil, dass die Höhe
der Stützstrebe 3 verringert
werden kann, erlaubt eine derartige Positionierung der Propellerpumpe,
den Wirkungsgrad unter Bezug auf eine Positionierung außerhalb
der Grenzschichten des Kielwassers in optimaler Weise zu vergrößern.
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In 2 ist
der erfindungsgemäße Antriebsaufbau 1 perspektivisch
dargestellt, um die jeweiligen Strukturen des Querruderkranzes 5 zur
Strömungsorientierung
und die Schiffsschraube bzw. den Propeller 4 besser zu
verdeutlichen. Der Kranz 5 umfasst dabei sechs Querruder 50 bis 55 zur
Ausrichtung bzw. Orientierung der Wasserströmung, welche in die Propellerpumpe
gelangt, um dieser Strömung
ein Drehmoment zu verleihen, welches im Wesentlichen demjenigen
des Rotors entspricht, sich jedoch in umgekehrter Richtung dreht,
wobei die Wasserströmung an
Drehenergie am Auslass des Motors entreichert wird, was den Vorteil
mit sich bringt, dass der Wirkungsgrad der Propellerpumpe verbessert
wird. Das Querruder 55 ist in dieser Darstellung auf der
Rückseite
des Triebwerkrumpfes 2 versteckt.
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Jedes
Querruder weist eine im Wesentlichen zumindest annähernd ebene
Oberfläche
auf, welche eine Orientierung bzw. Ausrichtung besitzt, die in Bezug
auf die Achse X des Rumpfes festgelegt ist. Der Ausrichtungswinkel
bzw. Orientierungswinkel an eines Querruders ist als Winkel definiert,
der zwischen der Ebene des Querruders und der Achse X festgelegt
ist. Jedes Querruder, wie etwa das Querruder 52 oder 54 ist
am hinteren Ende des Triebwerkrumpfes mit einem Ausrichtungswinkel
befestigt, der dem Flügel
eigen ist, wie etwa α2 oder α4. Bevorzugt wird jeder Winkel an ausgehend
von der Kielwasserkarte des Schiffes bei Kreuzfahrtgeschwindigkeit
ermittelt und in ähnlicher
Weise ist hier der Winkel αn funktionsmäßig an die zuströmende Wasserströmung angepasst,
um die Ankunft des Wassers am Rotor auszurichten und die Kavitationsprobleme
zu vermeiden. Der Einfluss der Stützstrebe 3 auf die
Wasserfäden, welche
in die Düse
eintreten, wird berücksichtigt,
insbesondere für
den Ausrichtungswinkel α2 des Querruders 52, welches hinter
der Stütze 3 zum
Liegen kommt. Das Einlassprofil der Düse wird außerdem bevorzugt ausgehend
von der Kielwasserkarte des Schiffes bei seiner Kreuzfahrtgeschwindigkeit
ermittelt.
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Da
er sich außerdem
viel schneller dreht als eine herkömmliche Schiffsschraube, entwickelt
der Rotor des erfindungsgemäßen Antriebsaufbaus
ein verringertes Drehmoment, wodurch die Abweichung bzw. Ablenkung
der Strömung
in dem Rotor moderat bleibt und in Übereinstimmung mit diesem Drehmoment
steht. Hieraus folgt, dass die Ausrichtungs- bzw. Orientierungswinkel
der Querruder relativ gering sind, wodurch ein Wasserhindurchtritt
in umgekehrter Richtung möglich
ist. Jeder Ausrichtungswinkel an kann zwischen beispielsweise 3° und 15° festgelegt
werden, was es erlaubt, einen ausreichenden Stoß für eine Rückwärtsfahrt bei Umkehr der Drehrichtung
der Schiffsschraube
4 zu erhalten, wobei die Wasserströmung, welche
durch die Schiffsschraube erzeugt wird, durch die Querruder nicht
merklich gestört
wird. Ein Rotor, dessen Schaufeln jeweils auf einer geraden Erzeugenden
bzw. Mantellinie zum Liegen kommen, ist dazu in der Lage, das volle
invertierte nominale Drehmoment des Rotors aufzunehmen, und zwar
im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schiffsschraube
vom Typ „skew", die beispielsweise im
US Patent 6 371 726 erläutert ist,
und dies aufgrund einer guten Verteilung der mechanischen Spannungen
auf der Oberfläche
der Schaufeln, was eine Verbesserung des Bremsstoßes mit
sich bringt. Es wird bemerkt, dass ein Gegenstand mit gerader Erzeugender
bzw. Mantellinie durch Translation eines Umrisses mit zwei Dimensionen
entlang einer Geraden gebildet wird, welche die Ebene des Umrisses
schneiden.
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Die
Schaufeln der Schiffsschraube 4 sind in der Figur mit einem
geringen Schraubengang gezeigt und sie liegen deshalb damit auf geringfügig gekrümmten Erzeugenden
bzw. Mantellinien. Es wird jedoch bemerkt, dass Schaufeln mit rigoros
geraden Erzeugenden bevorzugt sein können um den Bremsstoß zusätzlich zu
verbessern. Außerdem
geht aus der Zeichnung hervor, dass der Abschlussrand 7 einer
Schaufel 14, die mit der Innenwandung der Düse 6 fluchtet,
krummlinig ist. Darüber
hinaus geht aus 1 hervor, dass die Form der
Düse nach
hinten geringfügig
konvergiert. Schließlich
wird bemerkt, dass die Schwenkachse Y des Antriebsaufbaus 1 nicht
notwendigerweise der Symmetrieachse der Stützstrebe 3 entspricht
und beispielsweise nach vorn versetzt sein kann, wie in der durch
die Achse Y' in
der Figur gezeigten Position.
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Durch
die Anmelderin durchgeführte
rechnerische Simulationen erlauben einen Vergleich zwischen einerseits
einem herkömmlichen
Antriebsaufbau vom Typ POD mit andererseits einem erfindungsgemäßen Antriebsaufbau,
der ebenfalls vom Typ POD ist, wobei ein Elektromotor in dem Triebwerksrumpf
angeordnet ist. Beispielsweise besitzt ein derartiger erfindungsgemäßer Antriebsaufbau
einen Triebwerksrumpf 2 mit einem Durchmesser in der Größenordnung
von zwei Metern und eine Düse 6 mit
einem Durchmesser von ungefähr
vier Metern zugunsten einer Motorleistung in der Größenordnung von
13 MW. Der Kranz 5 umfasst 7 Orientierungsquerruder
und der Schrauben- bzw. Propellerrotor 4 umfasst fünf Schaufeln 14.
Die Anzahl Umdrehungen pro Minute des Rotors ist größer als
200. Bei gleicher Motorleistung ergibt sich, dass die Erfindung
es erlaubt, die Motormasse um mehr als 50% zu verringern und den
Durchmesser der Schraube um mehr als 25% ebenso wie den Durchmesser
des Triebwerkrumpfes zu verringern. Die für die Wasserschleppe erzielbare
Verringerung liegt in der Größenordnung von
3 Metern und der Wirkungsgrad des POD-Aufbaus mit Propellerpumpe
ist um 5% größer als
der Wirkungsgrad des herkömmlichen
POD-Aufbaus. Global gesehen sind die Vorteile jedoch beträchtlich, welche
durch die Erfindung im Bezug auf herkömmliche POD-Aufbauten erzielbar
sind.
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In 3 ist
ein weiterer erfindungsgemäßer Antriebsaufbau 1' schematisch
von unten gezeigt. Der Triebwerksrumpf 2 und die Propellerpumpe
sind in einem Horizontalschnitt gezeigt, welcher die Längsachse
X des Triebwerkrumpfes enthält,
während
die Stützstrebe 3' in einem Schnitt
entlang einer anderen horizontalen Ebene gezeigt ist, die über den Triebwerksrumpf
zu Liegen kommt. Das hintere Ende 3'A der Tagstütze 3' bildet ein Strömungsorientierungsquerruder,
wobei dieser Teil eine im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweist,
die eine bestimmte Ausrichtung bzw. Orientierung α' relativ zu der Achse X
des Triebwerkrumpfes besitzt. Der Kranz 5 umfasst zumindest
zwei Orientierungsquerruder ähnlich
den Querrudern 50 bis 55' gemäß den 1 und 2 und
er umfasst damit ein spezielles Querruder, welches durch den Teil 3'A gebildet ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Antriebsaufbau kommt
die Zone Zx, in welcher der Querruderkranz senkrecht zur Längsachse
X des Triebwerkrumpfes enthalten ist, zwischen dem zentralen Teil
der Tragstütze
und der Schiffsschraube zu liegen, wobei der zentrale Teil einen
Hohlraum umfasst, der in der Stütze
ausgebildet ist und der mit dem Inneren des Schiffes in Verbindung
steht. In der Ausführungsform entsprechend 3 kommt
der zentrale Teil C der Tragstütze 3' im Wesentlichen über dem
Motor 8 zu Liegen, der in dem Triebwerksrumpf vorgesehen
ist und eine Zwangsluftströmung
zwischen dem Triebwerksrumpf und dem Inneren des Bootes ist in diesem
zentralen Teil vorgesehen und er ist ausreichend stank bzw. besitzt
einen ausreichenden Durchsatz, um den Motor kühlen zu können.
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Der
hintere Endteil 3'A der
Tragstütze
kann dazu ausgelegt sein, soweit anzusteigen, bis er mit dem Schiffsrumpf
fluchtet, in dem er die Höhe
des Treibwerksrumpfes übersteigt,
wobei eine vorne liegende Verstärkung
in diesem Teil 3'A vorgesehen
ist, um das Einsetzen des Triebwerkrumpfes von oben zu ermöglichen, zusammen
mit seiner Halterung 3'A. Diese
Ausführungsform
erlaubt im bestimmten Maße,
die hydrodynamische Schleppe des Antriebsaufbaus unter Bezug auf
die Ausführungsform
des 1 und 2 zu verringern.
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Ein
weiterer erfindungsgemäßer Antriebsaufbau 1'' ist in 4 schematisch
in Vorderansicht in Richtung auf das hintere Ende des Schiffes gezeigt.
Dieser Aufbau ist vom Typ POD und umfasst zwei identische Antriebe
oder quasi identische Antriebe, die nebeneinander zu Liegen kommen.
Jeder Antrieb ist dabei identisch zu demjenigen des Antriebsaufbaus 1 oder 1', die vorstehend
erläutert
sind. Die beiden Antriebe sind mechanisch mit einer einzigen Tragstütze 3' verbunden,
die unter dem Kiel 10 des Schiffes schwenkbar angebracht
ist. Diese Tragstütze 3'' besitzt die Form eines Sternes
mit drei Sternzacken, und ihre Schwenkachse Y'' der
größten Sternzackenachse.
Die Kraft eines Antriebsaufbaus 1 oder 1', der in 1 bis 3 gezeigt
ist, kann dadurch quasi verdoppelt werden, ohne dass eine stärkere Propellerpumpe
entwickelt werden muss, ohne dass die Wasserschleppe verbessert
werden muss und unter Beibehaltung des Vorteils, dass lediglich ein
einziges Dichtungslager 9 vorgesehen werden muss, welches
den Schiffsrumpf quert.