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Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Schiffsantriebssystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Schiff gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Aus der
DE 32 07 852 A1 ist ein Bootsschraubenantrieb mit zwei gegenläufigen Schiffsschrauben bekannt. Die beiden konzentrisch zueinander angeordneten Schiffschrauben weisen unterschiedliche Durchmesser auf. Bei dieser Anordnung ist die Auslegung der Schiffschrauben für nur einen Betriebspunkt optimal. Ebenso führt nahezu jeder Einzelfehler in dem Antriebssystem zum Totalausfall des Antriebs. Ferner ist der bekannte Antrieb kostenintensiv in der Fertigung, sowie auch wartungstechnisches sehr anspruchsvoll, da der Antrieb einer der beiden Schiffsschrauben über eine Hohlwelle ausgeführt werden muss. Der Wirkungsgrad des bekannten Systems ist zwangsläufig gering, da sowohl zum Lenken als auch zum Trimmen, beziehungsweise im flachen Fahrwasser der Antrieb horizontal und vertikal geschwenkt werden muss, was mittels eines Kardangelenkes realisiert ist.
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Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Schiffsantrieb zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein fehlertoleranteres Schiffsantriebssystem mit verbessertem Wirkungsgrad anzugeben.
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Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Schiffsantrieb umfasst eine Antriebseinheit, welche eine elektrische Leistungseinheit und einen mit einer Ausgangswelle der Leistungseinheit verbundenen Schiffspropeller umfasst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schiffspropeller konzentrisch auf der Ausgangswelle der Leistungseinheit angeordnet ist und dass mindestens zwei Antriebseinheiten linear hintereinander angeordnet sind. Insbesondere sind die Antriebseinheiten in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordnet. Dadurch ergibt sich eine optimale strömungsdynamische Anordnung der Antriebseinheiten mit einem hohen Wirkungsgrad bei kompakter Bauweise.
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Gemäß der Erfindung ist in einer Antriebseinheit der Schiffspropeller konzentrisch auf der Ausgangswelle der Leistungseinheit angeordnet. Unter einer konzentrischen Anordnung der Schiffsschraube auf der Ausgangswelle der Leistungseinheit wird im Folgenden verstanden, dass die Schiffsschraube direkt auf der Ausgangswelle angeordnet ist, d. h. zwischen Schiffsschraube und Ausgangswelle der Leistungseinheit sind keine weiteren Wellen oder Umlenkwellen vorhanden. Damit ist eine kompakte Bauweise mit wenigen Komponenten möglich. Hieraus ergeben sich zudem Vorteile hinsichtlich einer geringen Fehleranfälligkeit der einzelnen Komponenten. Darüber hinaus ist es möglich Standardkomponenten zu verwenden, wodurch eine preisgünstige Herstellung des Schiffsantriebs möglich ist. Insbesondere ist in einer Antriebseinheit zwischen dem Ausgang der Leistungseinheit und der Schiffschraube eine einzelne Welle vorhanden. Diese Welle, im Weiteren als Ausgangswelle bezeichnet, ist eine gerade Welle.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leistungseinheit ein Elektromotor mit einer Rotorwelle, wobei die Rotorwelle des Elektromotors die Ausgangswelle der Leistungseinheit ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Leistungseinheit ein Elektromotor mit einem nachgeschalteten Getriebe, wobei die Rotorwelle des Elektromotors mit einer Eingangswelle des Getriebes konzentrisch verbunden ist und die Ausgangswelle des Getriebes die Ausgangswelle der Leistungseinheit ist.
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Zweckmäßig können Elektromotor und Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass Elektromotor und Getriebe in jeweils getrennten Gehäusen untergebracht sind.
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Durch die Verwendung von Elektromotoren wird somit ein abgasfreier Schiffsantrieb geschaffen, welcher insbesondere auf Binnenseen bei immer strengeren Umweltauflagen für die zugelassenen Schiffe eingesetzt werden kann.
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Jede Antriebseinheit umfasst zweckmäßig ein Gehäuse zur Aufnahme der elektrischen Leistungseinheit und des Schiffspropellers. Hierbei ist es möglich, dass die Leistungseinheit und die Schiffsschraube in einem gemeinsamen Gehäuse oder in getrennten Gehäusen angeordnet sind. Damit ist ein kompakter und platzsparender sowie strömungstechnisch günstiger Aufbau einer Antriebseinheit möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Ausgangswellen der Leistungseinheiten einer ersten und einer zweiten Antriebseinheit in einem Raumwinkel von +/–10° zueinander angeordnet. Insbesondere spannen die Ausgangswellen der Leistungseinheiten sämtlicher Antriebseinheiten, die der Schiffsantrieb umfasst, einen Raumwinkel von +/–10° auf.
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In einer Ausführungsform der Erfindung rotiert die Ausgangswelle der Leistungseinheit einer ersten Antriebseinheit gegenläufig zur Ausgangswelle der Leistungseinheit mindestens einer zweiten Antriebseinheit. Zweckmäßig sind die Schiffsschrauben der einzelnen Antriebseinheiten gleich und weisen eine gleiche Flügelzahl auf. Hieraus ergeben sich strömungsdynamische Vorteile, welche bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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In einer ersten Variante der Erfindung sind eine erste und eine zweite Antriebseinheit derart zueinander angeordnet, dass in Strömungsrichtung der Schiffspropeller der zweiten Antriebseinheit zwischen der Leistungseinheit der ersten Antriebseinheit und der Leistungseinheit der zweiten Antriebseinheit angeordnet ist.
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In einer zweiten Variante der Erfindung sind eine erste und eine zweite Antriebseinheit derart zueinander angeordnet, dass die Schiffsschrauben der ersten und der zweiten Antriebseinheit zwischen der ersten und zweiten Leistungseinheit angeordnet sind.
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In einer dritten Variante der Erfindung sind eine erste und eine zweite Antriebseinheit derart zueinander angeordnet, dass die Leistungseinheiten der ersten und der zweiten Antriebseinheit zwischen der ersten und zweiten Schiffsschraube angeordnet sind. Mit anderen Worten, die beiden Leistungseinheiten sind zwischen den beiden Schiffsschrauben angeordnet.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit wenigen standardisierten Komponenten (Leistungseinheit, Schiffschraube, Welle), die mehrfach verwendet werden und zueinander ausgerichtet sind (Raumwinkel +/–10°) ein besonders effizienter, modular verwendbarer Schiffsantrieb realisiert werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Schiffsantriebssystem umfassend einen Schiffsantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche und eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Schiffsantriebs, wobei jede Leistungseinheit einer Antriebseinheit eines Schiffsantriebs über Steuerleitungen mit der Steuereinheit eines Schiffsantriebs verbunden ist. Jedem Schiffsantrieb, der mehrere Antriebseinheiten umfasst, ist somit genau eine Steuereinheit zugeordnet. Jede Leistungseinheit einer Antriebseinheit eines Schiffsantriebs ist hierbei mit der Steuereinheit über Steuerleitungen, insbesondere Datenleitungen, verbunden.
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Zweckmäßig weist jede Leistungseinheit einer Antriebseinheit mindestens eine Schnittstelle auf zur Verbindung der Leistungseinheit mit einer Steuereinheit.
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Jede Steuereinheit ist in einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Zentralsteuereinheit verbunden, insbesondere über eine Busleitung.
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Mittels der Steuereinheiten bzw. der Zentralsteuereinheit ist eine elektronische Regelung der einzelnen Antriebseinheiten möglich.
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Die Steuereinheit regelt sowohl die Drehzahl der Schiffschrauben zueinander entsprechend den Anforderungen des Fahrbetriebes, unter der Berücksichtigung der Vorgaben der Zentralsteuereinheit, sowie eventueller Fehlersituationen.
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Durch den Einsatz von Steuereinheiten kann die Drehzahl und somit die Leistung der Leistungseinheiten, z. B. Elektromotor einer Antriebseinheit entsprechend den fahrspezifischen Anforderungen (z. B. Fahrerwunsch) variiert werden. Somit ist ein energieoptimierter Einsatz über den gesamten Betriebsbereich möglich. Ebenso können durch intelligente Fehleranalyse die Regelgesetze entsprechend abgeänderter werden, um den Einfluss eines Fehlers auf das Fahrverhalten des Schiffes zu minimieren.
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Die Aufgaben der Zentralsteuereinheit sind im Wesentlichen die Auswertung der Fahr- und Richtungskommandos des Schiffsführers zur Berechnung der geforderten Leistung der einzelnen Schiffsantriebssysteme in Abhängigkeit von dem Bewegungsprofil des Schiffes. Die Anzeige aller relevanten Fahrparameter, sowie der Systemzustände und mögliche Betriebseinschränkungen aufgrund von Systemausfällen oder Extrem-Situationen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung mehrerer Schiffsantriebe, sich eine Vielzahl von Schiffen unterschiedlichster Gewichtsklassen (bis über 10 t) einfach aus- und umrüsten lassen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Schiff mit einem erfindungsgemäßen Schiffsantriebsystem. Das erfindungsgemäße Schiff zeichnet sich entsprechend der Erfindung dadurch aus, dass der Schiffsantrieb an einem Schiffsrumpf des Schiffes befestigt ist und die Steuereinheit innerhalb des Schiffsrumpfs angeordnet ist.
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Durch die kompakte Bauweise und den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Schiffsantriebs kann der Schiffsantrieb einfach und kostengünstig an einen Schiffsrumpf befestigt werden. Außerdem können mit Verbrennungsmotoren angetriebene Schiffe einfach mit dem erfindungsgemäßen Schiffsantriebssystem umgerüstet werden.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine Antriebseinheit eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebs,
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2 schematisch einen erfindungsgemäßen Schiffsantrieb mit beispielhaft zwei in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordneten Antriebseinheiten in einer ersten Variante,
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3 schematisch einen erfindungsgemäßen Schiffsantrieb mit beispielhaft zwei in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordneten Antriebseinheiten in einer zweiten Variante,
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4 schematisch einen erfindungsgemäßen Schiffsantrieb mit beispielhaft zwei in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordneten Antriebseinheiten in einer dritten Variante,
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5 schematisch ein erfindungsgemäßes Schiffsantriebssystem mit einem Schiffsantrieb und einer Steuereinheit,
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6 schematisch ein erfindungsgemäßes Schiffsantriebssystem mit mehreren Steuereinheiten und einer Zentralsteuereinheit.
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1 zeigt schematisch eine Antriebseinheit eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebs. Die Antriebseinheit 6 besteht aus einer Leistungseinheit 3 und einer Schiffsschraube 5. Die Leistungseinheit 3 besteht aus einem Elektromotor 1 und einem Getriebe 2. Das Getriebe 2 ist optional und kann je nach Auslegung des Elektromotors 1 auch entfallen. In der vorliegenden Darstellung sind der Elektromotor 1 und das Getriebe 2 in einem gemeinsamen Gehäuse der Leistungseinheit 3 angeordnet. Selbstverständlich können die beiden Komponenten 1, 2 auch in getrennten Gehäusen angeordnet sein. Die Übertragung des Drehmomentes zur Schiffschraube 5 erfolgt durch eine gerade verlaufende Welle 4. Diese Welle 4 ist die Rotorwelle des Elektromotors 1 im Falle einer Leistungseinheit 3 ohne Getriebe 2. Im Falle einer Leistungseinheit 3 mit Getriebe 2, wie in 1 dargestellt, ist die Welle 4 die Ausgangswelle des Getriebes 2.
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Aus 1 ist deutlich zu erkennen, dass die Schiffsschaube 5 direkt auf der Welle 4 angeordnet ist. Zwischen der Schiffsschraube 5 und der Leistungseinheit 3 befinden sich keine weiteren Wellen- oder Umlenkwellenelemente. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Schiffsschraube 5 somit räumlich sehr nahe an die Leistungseinheit 3 platziert werden kann, wodurch die Welle 4 sehr kurz ausgeführt werden kann. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich der Belastbarkeit der Welle 4. Darüber hinaus werden die Schwingungen der Welle 4 im Betrieb reduziert, wodurch die Belastung der Welle 4 im Betrieb der Antriebseinheit reduziert wird.
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2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Schiffsantrieb S mit beispielhaft zwei in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordneten Antriebseinheiten 36, 38 in einer ersten Variante. Diese Anordnung wird auch als inline-Anordnung bezeichnet. Hierbei ist die Schiffsschraube 7 der zweiten Antriebseinheit 6 zwischen der Leistungseinheit 36 der zweiten Antriebseinheit 6 und der Leistungseinheit 38 der ersten Antriebseinheit 8 angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Leistungseinheit 38 der ersten Antriebseinheit 8 sehr nahe an der Schiffsschraube 7 der zweiten Antriebseinheit 6 positioniert werden kann. In der 2–4 ist die Strömungsrichtung mit einem Pfeil angedeutet.
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Der Schiffsantrieb S besteht beispielhaft aus zwei Antriebseinheiten 6, 8. Eine zweite Antriebseinheit 6 ist in Strömungsrichtung (Pfeilrichtung) linear hinter einer ersten Antriebseinheit 8 angeordnet. Insbesondere sind die beiden Antriebseinheiten 6, 8 zur Längsrichtung des Schiffes (nicht dargestellt) gemeinsam schwenkbar hintereinander angeordnet. Der Aufbau der einzelnen Antriebseinheiten 6, 8 ist in 1 ausführlich dargelegt.
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Die beiden Antriebseinheiten 6, 8 sind insbesondere derart zueinander angeordnet, dass der Raumwinkel α zwischen den Ausgangswellen 4 der Leistungseinheiten 36, 38 zwischen –10° und +10° beträgt und somit maximal 20° beträgt. Mit anderen Worten, die Wellen 4 der beiden Antriebseinheiten 6, 8 können derart zueinander ausgerichtet sein, dass der Winkel α zwischen den Wellen 4 der beiden Antriebseinheiten 6, 8 maximal 20° beträgt.
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In einer nicht dargestellten Variante, bei welcher mehr als zwei Antriebseinheiten einen Schiffsantrieb bilden, sind die Wellen 4 der einzelnen Antriebseinheiten 6, 8 derart zueinander ausgerichtet, dass der maximale Winkel α zwischen zwei Wellen 4 nicht mehr als 20° beträgt.
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3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Schiffsantrieb mit beispielhaft zwei in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordneten Antriebseinheiten in einer zweiten Variante. Diese Anordnung wird auch als „face to face” Anordnung bezeichnet. Hierbei liegen sich die Schiffsschrauben 7, 9 der beiden Antriebseinheiten 6, 8 direkt gegenüber. Mit anderen Worten, die beiden Schiffsschrauben 7, 9 sind zwischen der Leistungseinheit 36 der zweiten Antriebseinheit 6 und der Leistungseinheit 38 der ersten Antriebseinheit 8 angeordnet.
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Um Wiederholungen zu vermeiden wird auf die räumliche Ausrichtung der Wellen 4 der beiden Antriebseinheiten 6, 8 auf die Beschreibung in 2 verweisen.
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4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Schiffsantrieb mit beispielhaft zwei in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordneten Antriebseinheiten in einer dritten Variante. Diese Anordnung wird auch als „back to back”-Anordnung bezeichnet. Hierbei sind die beiden Leistungseinheiten 36, 38 der beiden Antriebseinheiten 6, 8 direkt gegenüber angeordnet. Mit anderen Worten, die beiden Leistungseinheiten 36, 38 der Antriebseinheiten 6, 8 sind zwischen den Schiffsschrauben 7, 9 der Antriebseinheiten 6, 8 angeordnet.
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Um Wiederholungen zu vermeiden wird auf die räumliche Ausrichtung der Wellen 4 der beiden Antriebseinheiten 6, 8 auf die Beschreibung in 2 verweisen.
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5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Schiffsantriebssystem mit einem Schiffsantrieb und einer Steuereinheit. Das Schiffsantriebssystem SY weist einen Schiffsantrieb S mit drei Antriebseinheiten 6, 8, 88 mit Leistungseinheiten 36, 38, 388 auf. Ferner weist das Schiffsantriebssystem eine Steuereinheit 18 auf. Die Leistungseinheit 36, 38, 388 einer Antriebseinheit 6, 8, 88 ist über Steuerleitungen 19a, 19b, 19c mit der Steuereinheit 18 verbunden. Die Steuerleitungen 19a, 19b, 19c versorgen die Leistungseinheiten 36, 38, 388 derart mit Strom, dass diese an den jeweiligen Elektromotoren 1 der einzelnen Antriebseinheiten 6, 8, 88 die gewünschte Drehzahl einstellen. Durch diese Anordnung ist es möglich, die Drehzahlen der Elektromotoren 1 der einzelnen Antriebseinheiten 6, 8, 88 individuell einzustellen. Die Elektromotoren 1 der einzelnen Antriebseinheiten 6, 8, 88 können somit zueinander unterschiedliche Drehzahlen aufweisen.
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Überwachungsleitungen 20a, 20b, 20c sind zwischen den Leistungseinheiten 36, 38, 388 der Antriebseinheiten 6, 8, 88 und der Steuereinheit 18 angeordnet. Diese Überwachungsleitungen 20a, 20b, 20c melden mögliche Fehlerzustände an die Steuereinheit 18. Die Spannungsversorgung sowohl für die Steuereinheit 18 als auch für die Leistungseinheiten 36, 38, 388 erfolgt über den Anschluss 25 an der Steuereinheit 18.
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Über den Anschluss 26 einer bidirektionalen Datenverbindung erhält die Steuereinheit 18 von der Zentralsteuereinheit 27 (6) die vorbestimmten Fahrkommandos und meldet mögliche Fehlerzustände an die Zentralsteuereinheit 27. Die Aufgaben der Steuereinheit 18 sind im Wesentlichen die Kontrolle der Drehzahlen der Leistungseinheiten 36, 38, 388 zueinander sowie die Überwachung des Zustandes der zugeordneten Antriebseinheiten 6, 8, 88. Die Berechnung der Drehzahlen erfolgt entsprechend den Vorgaben der Zentralsteuereinheit 27 über die bidirektionale Datenverbindung 26 unter Berücksichtigung der Fahrzustände, sowie eventueller Fehlersituationen.
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6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Schiffsantriebssystem mit mehreren Steuereinheiten und einer Zentralsteuereinheit. Beispielhaft ist ein Schiffsantriebssystem SY mit fünf Steuereinheiten 18a, 18b, 18c, 18d, 18e und einer Zentralsteuereinheit 27 dargestellt. Die Zentralsteuereinheit 27 ist mittels eines Datenbusses 26 mit allen an Bord des Schiffes (nicht dargestellt) installierten Steuereinheiten 18a, 18b, 18c, 18d, 18e verbunden. Die Fahrkommandos werden, entsprechend dem Fahrwunsch des Schiffsführers, mittels des Leistungshebels 34 an die Zentralsteuereinheit 27 übertragen. Die Richtungskommandos werden mittels der Position des Steuerrades 28 an die Zentralsteuereinheit 27 übertragen. Sämtliche weiteren fahrrelevanten Informationen, z. B. ist der Fahrschlüssel in der vorgesehen Position, ist der Fahrer auf dem Fahrerstand, sowie mögliche weiter Schiffssensoren werden über die bidirektionale Verbindung 35 an die Zentralsteuereinheit 27 übertragen.
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Über die Zentralsteuereinheit 27 werden auch die für den Bootsführer wichtigen Zustände, wie Fahrgeschwindigkeit, Restfahrdauer, mögliche Systemfehler etc. über die Verbindung 35 an Anzeigegeräte (nicht dargestellt) ausgegeben. Die Spannungsversorgung der Zentralsteuereinheit 27 erfolgt über den Spannungseingang 37.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Getriebe
- 3
- Leistungseinheit
- 36
- zweite Leistungseinheit
- 38
- erste Leistungseinheit
- 388
- dritte Leistungseinheit
- 4
- Welle
- 5
- Schiffsschraube
- 6
- (zweite) Antriebseinheit
- 7
- Schiffsschraube
- 8
- (erste) Antriebseinheit
- 9
- Schiffsschraube
- 18
- Steuereinheit
- 18a
- Steuereinheit
- 18b
- Steuereinheit
- 18c
- Steuereinheit
- 18d
- Steuereinheit
- 18e
- Steuereinheit
- 19a
- Steuerleitung
- 19b
- Steuerleitung
- 19c
- Steuerleitung
- 20a
- Überwachungsleitung
- 20b
- Überwachungsleitung
- 20c
- Überwachungsleitung
- 26
- Datenbus
- 27
- Zentralsteuereinheit
- 28
- Steuerrad
- 34
- Leistungshebel
- 35
- Datenverbindung
- 37
- Spannungsversorgung
- 88
- Antriebseinheit
- S
- Schiffsantrieb
- SY
- Schiffsantriebssystem
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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