DE102021100135B4 - Schiffsantrieb und damit ausgerüstetes Schiff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb, umfassend ein tunnelförmiges Gehäuse (1) und einen im Gehäuse (1) angeordneten, elektrisch angetriebenen Propeller (2) mit einem ringförmigen Rotor (20), der auf seiner radial inneren Seite eine Vielzahl von Propellerblättern (21) trägt und auf seiner radial äußeren Seite einen Stator (22) zum Antrieb des Rotors (20) aufweist, wobei sich der Stator (22) lediglich über einen Teilumfangsbereich des Rotors (20) erstreckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb, umfassend ein tunnelförmiges Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten, elektrisch angetriebenen Propeller mit einem ringförmigen Rotor, der auf seiner radial inneren Seite eine Vielzahl von Propellerblättern trägt und auf seiner radial äußeren Seite einen Stator zum Antrieb des Rotors aufweist.
  • Derartige Schiffsantriebe sind bekannt und werden als sogenannte Rim Thruster sowohl als Hauptantrieb wie auch als Manövrierantrieb, etwa in Form von Querstrahlern insbesondere bei Personenschiffen und großen Yachten vorgesehen. Sie bilden einen raumsparenden und gewichtsreduzierten Antrieb, der die elektrische Energie direkt und ohne Transmissionsverluste in Antriebskraft umsetzt. Bei den bekannten Rim Thrustern sind die Propellerblätter auf der radial inneren Seite des ringförmigen Rotors angeordnet und der Rotor ist von einem konzentrisch auf der radial äußeren Seite angeordneten Stator eingehüllt, der sich ebenfalls ringförmig um den Umfang des Rotors über 360° erstreckt. Damit ist der vom Stator gebildete Aktivteil des elektrisch angetriebenen Propellers vollkommen unter Wasser angebracht, umschließt den Rotor vollständig und bildet auch gleichzeitig das Fundament für die Aufnahme der Propulsionskräfte. Je nach Bauform des Rim Thrusters wird der Rotor zugleich am Stator in Gleitführungen gelagert oder aber die radial innenseitig vorstehenden Enden der Propellerblätter sind auf einer zentral angeordneten Nabe gelagert, die ihrerseits am Gehäuse abgestützt ist. Beispiele derartiger Rim Thruster sind in der DE 33 00 380 A1 , der EP 1 739 007 A1 und der US 3 708 251 A offenbart.
  • Ein Nachteil derartiger Rim Thruster gegenüber einem herkömmlichen Querstrahler ist der aufwändige Einbau sowie die Wartung des unter Wasser befindlichen elektrischen Aktivteils des Motors, insbesondere des Stators, welche nur durch Dockung des mit dem Rim Thruster ausgerüsteten Schiffes durchführbar ist. Dieses Problem kann durch Einbau eines relativ aufwendigen, großräumigen Brunnens im Schiffskörper zwar umgangen werden, jedoch ist eine solche Vorgehensweise sehr kostenintensiv und erfordert erheblichen Bauraum. Ein weiterer Nachteil eines Rim Thrusters in der Anwendung als (Haupt-) Antrieb mit Düse, etwa in Form eines Azimutantriebs oder in Swing-out Bauweise, liegt in dem vergleichsweise großen Düsenquerschnitt, den die Aufnahme des Rotors und Stators bedingt. Ein weiterer Nachteil sind die hohen Spaltverluste bekannter Rim Thruster.
  • Aus der US 6 388 346 B1 ist eine Strömungsmaschine bekannt, deren gegenläufige Propeller mittels Elektromagneten am Umfang angetrieben werden, wobei die Elektromagnete aus Kostengründen nicht über den gesamten Umfang verteilt angeordnet sind. Auch eine solche Strömungsmaschine lässt sich jedoch nur mit großem Aufwand in einem Schiff installieren und z.B. zu Reparaturzwecken deinstallieren.
  • Die GB 1896 / 16 423 A befasst sich mit dem elektromagnetischen Antrieb einer Schiffsschraube.
  • Die US 2004 / 0 051 418 A1 offenbart einen elektromagnetisch angetriebenen Ventilator.
  • Aus der DE 10 2006 003 089 B3 ist ein zur leichteren Wartung über einen Schacht im Schiffsrumpf zugängliches Querstrahlruder bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schiffsantrieb der eingangs genannten Art, insbesondere in Form eines Rim Thrusters, vorzuschlagen, der die Nachteile des Standes der Technik umgeht.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausgestaltung eines Schiffsantriebs mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 vorgeschlagen, sowie ein Schiff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Der erfindungsgemäße Vorschlag sieht vor, dass sich der Stator lediglich über einen Teilumfangsbereich des Rotors erstreckt und das Gehäuse im Bereich seiner Oberseite einen Schacht aufweist, in welchen der Stator einsetzbar ist. Durch eine solche Ausgestaltung ist es erfindungsgemäß möglich, den durch die im Wasser stehenden Teile benötigten Bauraum des Schiffsantriebes zu verkleinern, was strömungstechnische Vorteile mit sich bringt. Darüber hinaus kann der Stator in Bezug auf den ringförmigen Rotor an einer geeigneten Position derart angeordnet werden, dass er in einem entsprechenden Einbauraum im Schiffsrumpf angeordnet werden kann, sodass er über den Schiffsrumpf zugänglich und insbesondere ein- und ausgebaut werden kann, ohne dass eine Dockung des Schiffes erforderlich ist. Weiterhin ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung verbesserte Gestaltungsmöglichkeiten für den Spalt zwischen Rotor und Stator, um die Spaltverluste zu minimieren.
  • Die Anordnung eines ringförmigen Rotors mit einem lediglich über einen Teilumfangsbereich des Rotors sich erstreckenden Stator wird von Linearantrieben abgeleitet, in dem die üblicherweise lang gestreckte geradlinige Schiene des Linearantriebs in einen Rotor mit ringförmiger Erstreckung überführt wird.
  • Es hat sich im Rahmen der Erfindung überraschend gezeigt, dass mit einer solchen Anordnung ein elektrisch angetriebener Propeller eines Schiffsantriebs auch im Dauerbetrieb mit hoher Leistung und überaus vorteilhaften konstruktiven Auslegungsmöglichkeiten geschaffen werden kann.
  • Nach einem Vorschlag der Erfindung wird der Stator im oberen Bereich des Propellers angeordnet, beispielhaft etwa bei Betrachtung in Richtung der Propellerdrehachse zwischen einer Position bei etwa 10:00 Uhr und bei etwa 2:00 Uhr.
  • Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung verläuft der Stator über ein konzentrisch zum Rotor angeordnetes Ringsegment, welches von einem Winkel zwischen etwa 90 und 150° begrenzt ist, insbesondere etwa 120°.
  • Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Propellerblätter und der Rotor auf einer zentral angeordneten Nabe drehbar gelagert sind und die Nabe am Gehäuse abgestützt ist.
  • Gemäß der Erfindung weist das Gehäuse im Bereich seiner Oberseite einen Schacht auf, in welchen der Stator einsetzbar ist. Dieses Einsetzen des Stators in das Gehäuse unmittelbar benachbart zum Rotor kann dadurch erleichtert werden, dass nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Stator in einem wasserdichten und in den Schacht einsetzbaren Statorgehäuse angeordnet ist.
  • Zur Beeinflussung der Spaltmaße kann das Statorgehäuse überdies höhenverstellbar in den Schacht angeordnet sein.
  • Der Rotor kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung mit einer Vielzahl von Permanentmagneten ausgebildet sein, die in regelmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Rotors angeordnet und gegebenenfalls beschichtet sind.
  • Neben einem solchen permanent erregten Rotor kann nach einem alternativen Vorschlag der Erfindung der Rotor auch als Kurzschlussläufer ausgeführt sein.
  • In jeder Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes erfolgt die Kühlung des Antriebes maßgeblich durch das umströmende Wasser. Gegebenenfalls kann der Stator gezielt durch Wasser- oder Luftkühlung zusätzlich gekühlt werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner auch ein Schiff mit einem Rumpf und einem durch den Rumpf verlaufenden Tunnel und einem von oben in den Tunnel einmündenden Brunnen, in denen ein vorangehend erläuterte Schiffsantrieb eingesetzt ist, wobei das Gehäuse des Schiffsantriebes im Bereich des Brunnens einen Teilabschnitt des Tunnels ausbildet und diesen insoweit fluchtend fortsetzt. Der Brunnen kann dabei sehr einfach und platzsparend ausgelegt werden, da er lediglich den von oben, insbesondere vertikal über den Rumpf einsetzbaren Schiffsantrieb aufnehmen muss. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Stator im Rumpf von der Oberseite des Brunnens her zugänglich ist, was sowohl den Einbau als auch die Wartung erheblich vereinfacht, da auf eine Dockung des Schiffes verzichtet werden kann.
  • Als weitere Variante ist denkbar, die Funktion des tunnelförmigen Gehäuses des Schiffsantriebes unmittelbar in den schiffsseitig vorgesehenen Tunnel zu integrieren.
  • Darüber hinaus kann das tunnelförmige Gehäuse des Schiffsantriebes auch den kompletten schiffseitigen Tunnel bilden.
  • Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine erste Ausführungsform eines Schiffsantriebes gemäß der Erfindung in einer Explosionsdarstellung;
    • 2 die Ausgestaltung gemäß 1 in montierter Konfiguration aus einem veränderten Blickwinkel betrachtet;
    • 3 die Ausgestaltung gemäß 2 in einer vertikalen Schnittdarstellung;
    • 4 eine weitere Ausführungsform eines Schiffsantriebes gemäß der Erfindung;
    • 5 einen vertikalen Schnitt durch die Ausführungsform gemäß 4;
    • 6 in schematisierten Darstellung ein mit einem Schiffsantrieb ausgerüstetes Schiff.
  • Aus der 6 ist in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung ein Schiff mit einem Rumpf 3 sowie einem quer zur Längsachse des Rumpfes 3 durch diesen verlaufenden Tunnel 30 dargestellt, der einen von einem Gehäuse 1 eingehüllten Propeller 2 aufnimmt, mit welchem ein Wasserstrom im Tunnel 30 nach rechts oder links gemäß der zeichnerischen Darstellung beschleunigt und aus dem Rumpf 3 ausgestoßen werden kann, womit das Schiff beispielsweise quer zur Längsachse manövriert werden kann. Das den Propeller 2 aufnehmende Gehäuse 1 ist, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, seinerseits tunnelförmig ausgebildet und bildet im Bereich des Brunnens 4 einen Teilabschnitt des Tunnels 30, in dem es die Wandungen des Tunnels 30 bündig bzw. fluchtend fortsetzt. Der Propeller 2 wird in der nachfolgend beschriebenen Weise aufgebaut und elektrisch angetrieben.
  • Die gesamte Antriebseinheit ist in weiteren Details aus der 1 ersichtlich. Man erkennt die beidseits des Brunnens 4 aus dem Brunnenschacht 40 horizontal herausführenden Abschnitte des Tunnels 30, die in den entsprechenden, hier nicht dargestellten Rumpföffnungen enden.
  • Von der Oberseite des Brunnens 4 her wird ein elektrischer Schiffsantrieb in den Brunnenschacht 40 in vertikaler Richtung eingesetzt, der ein in Einbaulage im Brunnenschacht die Abschnitte des Tunnels 30 im Bereich des Brunnens 4 fortsetzendes tunnelförmiges Gehäuse 1 aufweist, welches insoweit rohrförmig mit an die Geometrie des Tunnels 30 angepassten Abmessungen ausgeführt ist.
  • Innerhalb des tunnelförmigen Gehäuses 1 ist der elektrisch angetriebene Propeller 2 angeordnet, der eine Vielzahl von Propellerblättern 21 trägt, üblicherweise fünf oder sieben derartige Propellerblätter 21. Zur drehbaren Lagerung des Propellers 2 sind die radial inneren Enden der Propellerblätter 21 auf einer horizontal verlaufenden Nabe 23 befestigt, die in nicht näher dargestellter Weise mittels Wälzlagern auf einer feststehenden Achse drehbar gelagert ist. Die Nabe 23 bzw. deren Achse ist über eine Stützstruktur mit mehreren Streben 210 mit dem Gehäuse 1 verbunden und an diesem abgestützt. Die Lagerung ist üblicherweise ölgeschmiert, Dichtungen dichten den Wälzlagerraum ab.
  • Die radial äußeren Enden der Propellerblätter 21 sind mit einem ringförmigen, permanent erregten Rotor 20 verbunden, der im Bereich der Innenoberfläche des rohrförmigen bzw. tunnelförmigen Gehäuses 1 rotiert.
  • Für den elektrischen Drehantrieb des permanent erregten Rotors 20 ist in an sich bekannter Weise ein Stator 22 vorgesehen, der eine Vielzahl von Wicklungen zur Ausbildung stromdurchflossener Spulen sowie deren externe Anschlüsse trägt, die in den Figuren zusammenfassend mit Bezugszeichen 221 gekennzeichnet sind. Der Stator 22 ist in einem zugeordneten Statorgehäuse 220 untergebracht, welches tunnelseitig gegen Zutritt von Flüssigkeit abgedichtet ist und in einen an der Oberseite des tunnelförmigen Gehäuses 1 aufgesetzten Schacht 10 eingesetzt wird, sodass der Stator 22 koaxial und unmittelbar angrenzend an den ringförmigen Rotor 20 positioniert wird.
  • Durch eine nicht näher dargestellte Höhenverstellung kann der Stator 22 mitsamt des Gehäuses 220 zum ringförmigen Rotor 20 innerhalb des Schachts 10 höhenjustiert werden, etwa um den Spalt zwischen Rotor 20 und Stator 22 exakt einzustellen.
  • Wie insbesondere auch aus den weiteren Darstellungen des Schiffsantriebes gemäß 2 und 3 in der Einbaulage ersichtlich wird, ist nicht nur das Gehäuse 1 von oben in den Brunnenschacht 40 des Brunnens 4 eingesetzt, sondern auch der Stator 22 ist mit seinem Statorgehäuse 220 gleichermaßen von oben in den Schacht 10 des Gehäuses 1 eingesetzt. Somit ist insbesondere der Stator 22 mitsamt seiner Spulen und externen Anschlüsse 221 nach oben zum im Rumpf 3 des Schiffes angeordneten Maschinenraum hin zugänglich und kann aus dem Rumpf 3 montiert und gewartet werden, ohne dass das Schiff gedockt werden müsste.
  • Wesentliches Merkmal der dargestellten Anordnung ist es dabei, dass der Stator 22, wie insbesondere aus der 3 ersichtlich, lediglich im oberen Bereich des Propellers 2 entlang eines Teilumfangsbereichs des Rotors 20 verläuft, und zwar dergestalt, dass der Stator 22 über ein konzentrisch zum Rotor angeordnetes Ringsegment verläuft, welches von einem Winkel α von etwa 120° begrenzt wird. Da der sich unterhalb des Status 22 drehende Rotor 20 über eine Vielzahl von in gleichen Abständen angeordnete Permanentmagnete 200 verfügt, wird nach Art eines in Ringform verlegten Linearantriebes der Rotor 20 mitsamt der daran befestigten Propellerblätter 21 von dem lediglich in einem Ringsegment angeordneten Stator 22 in Rotation versetzt und mit dem nötigen Antriebsmoment angetrieben.
  • Die Kühlung des elektrischen Antriebes erfolgt maßgeblich durch das umströmende Wasser. Gegebenenfalls kann der Stator gezielt durch Wasser- oder Luftkühlung zusätzlich gekühlt werden
  • Demgegenüber zeigen die Darstellungen gemäß 4 und 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der gleiche Teile gleiche Bezugszeichen erhalten haben und zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals erläutert werden, sofern dies nicht zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist.
  • Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 1 bis 3 ist das tunnelförmige Gehäuse 1 nicht als gesondertes Bauteil in einen Brunnen 4 des nicht dargestellten Schiffes eingesetzt, sondern der Tunnel 30 des Schiffes übernimmt zugleich auch die Funktion des Gehäuses 1 des Schiffsantriebes und nimmt den Rotor 20 rotierend auf. Insoweit wird bei dieser Ausgestaltung der Stator 22 mit seinem Statorgehäuse 220 unmittelbar in den oberhalb des Tunnels 30 ausgebildeten Brunnen 4 eingesetzt und ist somit auch bei dieser Ausgestaltung über den Rumpf 3 des Schiffes zugänglich.
  • Es versteht sich, dass anstelle der Anordnung einer Vielzahl von Magneten 200 auf dem Rotor 20 auch die Ausgestaltung eines Rotors 20 als Kurzschlussläufer in Betracht kommen kann.
  • Mit dem vorangehend erläuterten Schiffsantrieb wird ein deutlich verringerter Strömungswiderstand durch erheblich kleinere Flächen, die senkrecht in der Strömung stehen, erreicht.
  • Darüber hinaus wird die Wartung und Handhabung des elektrischen Antriebes des Propellers 2 durch erfindungsgemäß vorgesehene Trennung des Stators 22 vom Rotor 20 deutlich vereinfacht, was noch dadurch gefördert wird, dass der gesamte Antrieb ohne Dockung des Schiffes über den vom Rumpf 3 des Schiffes her zugänglichen Brunnen 4 erfolgen kann.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Gehäuse
    2
    Propeller
    3
    Rumpf
    4
    Brunnen
    10
    Schacht
    20
    Rotor
    21
    Propellerblätter
    22
    Stator
    23
    Nabe
    30
    Tunnel
    40
    Brunnenschacht
    200
    Permanentmagnet
    210
    Streben
    220
    Statorgehäuse
    221
    Anschlüsse und Wicklungen
    α
    Winkel

Claims (8)

  1. Schiffsantrieb, umfassend ein tunnelförmiges Gehäuse (1) und einen im Gehäuse (1) angeordneten, elektrisch angetriebenen Propeller (2) mit einem ringförmigen Rotor (20), der auf seiner radial inneren Seite eine Vielzahl von Propellerblättern (21) trägt und auf seiner radial äußeren Seite einen Stator (22) zum Antrieb des Rotors (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stator (22) lediglich über einen Teilumfangsbereich des Rotors (20) erstreckt und das Gehäuse (1) im Bereich seiner Oberseite einen Schacht (10) aufweist, in welchen der Stator (22) einsetzbar ist.
  2. Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (22) im oberen Bereich des Propellers (2) angeordnet ist.
  3. Schiffsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stator (22) über ein konzentrisch zum Rotor (20) angeordnetes Ringsegment verläuft, welches von einem Winkel (a) zwischen 90 und 150 ° begrenzt ist.
  4. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerblätter (21) und der Rotor (20) auf einer zentral angeordneten Nabe (23) drehbar gelagert sind und die Nabe (23) am Gehäuse (1) abgestützt ist.
  5. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (22) in einem wasserdichten und in den Schacht (10) einsetzbaren Statorgehäuse (220) angeordnet ist.
  6. Schiffsantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorgehäuse (220) höhenverstellbar in dem Schacht (10) angeordnet ist.
  7. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) mit einer Vielzahl von Permanentmagneten (200) entlang seines Umfanges versehen oder als Kurzschlussläufer ausgeführt ist.
  8. Schiff mit einem Rumpf (3) und einem durch den Rumpf (3) verlaufenden Tunnel (30) und einem von oben in den Tunnel (30) einmündenden Brunnen (4), in den ein Schiffsantrieb, umfassend ein tunnelförmiges Gehäuse (1) und einen im Gehäuse (1) angeordneten, elektrisch angetriebenen Propeller (2) mit einem ringförmigen Rotor (20), der auf seiner radial inneren Seite eine Vielzahl von Propellerblättern (21) trägt, eingesetzt ist und auf seiner radial äußeren Seite einen Stator (22) zum Antrieb des Rotors (20) aufweist, wobei sich der Stator (22) lediglich über einen Teilumfangsbereich des Rotors (20) erstreckt und das Gehäuse (1) des Schiffsantriebes im Bereich des Brunnens (4) einen Teilabschnitt des Tunnels (30) ausbildet und der Stator (22) im Rumpf (3) von der Oberseite des Brunnens (4) her zugänglich ist.
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