EP0124720A1 - Elektrisch angetriebener Schiffspropeller mit Permanenterregung in dem an den Flügeln befestigten Mantelring - Google Patents

Elektrisch angetriebener Schiffspropeller mit Permanenterregung in dem an den Flügeln befestigten Mantelring Download PDF

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EP0124720A1
EP0124720A1 EP84102623A EP84102623A EP0124720A1 EP 0124720 A1 EP0124720 A1 EP 0124720A1 EP 84102623 A EP84102623 A EP 84102623A EP 84102623 A EP84102623 A EP 84102623A EP 0124720 A1 EP0124720 A1 EP 0124720A1
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electrically driven
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ship
tunnel
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    • B63H2023/005—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements using a drive acting on the periphery of a rotating propulsive element, e.g. on a dented circumferential ring on a propeller, or a propeller acting as rotor of an electric motor

Definitions

  • the invention relates to an electrically driven propeller for watercraft with the features of the preamble of claim 1.
  • Motor propellers are known in which the propeller runs in a nozzle which receives the stator winding distributed around the circumference.
  • the wing ends of the propeller are connected to each other by a strap. Permanent magnets for excitation of the motor are inserted into the belt, also distributed over the circumference.
  • Such a motor propeller is described in DE application P 32 46 730.3 and brings with it a substantial improvement in efficiency compared to drives which are driven by the propeller hub (cf. DE-PS 688 114).
  • the object underlying the invention is therefore to be seen in creating an arrangement of the type described at the outset with which an optimal degree of propulsion quality is achieved with maximum propeller dimensions.
  • the arrangement according to the invention has significant advantages. If the stator winding is placed in the stern ship, which is adapted to the motor propeller, there is maximum utilization of the diameter of the propeller. A further improvement in effectiveness can be achieved if the ship's outer skin, which surrounds the propeller motor by more than 50% in the case of a two-screwdriver, is formed into a tunnel. This part of the tunnel can be closed by a nozzle ring. By eliminating the wave trousers and the wave line and appropriate design of the stern, a uniform flow is achieved. This increases the overall degree of propulsion.
  • Fig. 1 From Fig. 1 it can be seen that the two propellers 1 and 2 are inserted into the stern 3 so that they run in a tunnel-like recess 4.
  • the special design of the stern 3 in the form of a fin-like extension 5 of the keel leads to more than 50% tunneling of the propellers 1, 2.
  • a partial nozzle ring 6 can be inserted into the partial tunnel to completely surround the propellers.
  • This structurally simpler form of the aft ship 3 leads to a more uniform flow against the propellers 1, 2 ′ and, in the favorable case, can lead to an approximately 20% increase in the overall degree of propulsion quality.
  • Fig. 2 From Fig. 2 it can be seen more clearly that the propellers 1, 2 are integrated into the stern 3.
  • the tunnel-shaped recesses 4 are supplemented by the nozzle rings 6, so that the stator windings can be distributed evenly over the circumference of the propellers.
  • the shaft brackets 8 which serve to hold the propeller shafts 7 and which are firmly connected to the ship's hull. With this design of the stern, the draft of the ship is not exceeded, even with optimal propeller diameters.
  • 3 and 4 show the stern of a screw-in ship. Due to its construction, the propeller 10 runs only about 1/3 of its circumference in a tunnel 12 integrated into the stern 11, while about 2/3 are formed by a nozzle ring 13.
  • the bearing of the propeller shaft 14 and the absorption of the thrust forces can take place in the fixed part 15 of a semi-floating rudder 16, alternatively also in a bridge to the rudder hoe 17. Radial forces can be absorbed by articulated arms 19.
  • the state winding 19 is, as indicated in FIG. 4, distributed over the tunnel 12 and the nozzle ring 13.
  • the excitation of the motor is generated by permanent magnets 20, which are also distributed over the circumference of the propeller in a belt 21.
  • the stator winding 19 is expediently fed by a separate generator and designed with a voltage corresponding to the vehicle electrical system voltage. If the main machine fails, take-home operation via the vehicle electrical system generators and converters is possible.
  • the ship's outer skin can be designed as a tear-off edge or drainage bead 24, also removable (FIG. 5b). This embodiment is dealt with in more detail using the following description of the figures.
  • FIG. 6 shows a variant in which the wing ends of the prepeller 25 are connected to an annular disk 25.
  • Permanent magnets 27, 28 are embedded in the opposing ring surfaces distributed over the circumference.
  • the annular disc 25 runs in an annular groove 29 of the partial tunnel and the nozzle ring, which are made correspondingly stronger in the wall.
  • the rotor is designed like an axial field double rotor.
  • the stator windings 30, 31 are arranged on both sides of the annular groove 29.
  • the propeller shaft 32 is mounted both on the fixed part 33 of the rudder and on the ship's outer skin by means of articulated arms 34 in order to absorb the thrust and transverse forces.
  • the gap between the annular disk 26 and the annular groove 29 is flooded and provided with a coarse seal 35 at the entrance in order to keep foreign objects away.
  • FIG. 7 which shows the part circled in a circular manner in FIG. 6, it can be seen that the rear stator winding 31 is arranged in an annular bead 36 which ends at the end 37 in a streamlined manner in order to reduce the water resistance.
  • the annular bead 36 can be removed aft.
  • the parting line can run in the middle of the web ring 38.
  • Peripheral openings 39 can be provided in the web ring on the water side in order to ensure flushing of the flooded annular gap and cooling of the motor.
  • annular disk and the annular groove according to FIG. 6 are L-shaped by lugs parallel to the propeller axis, the electrically active components being placed in the horizontal parts.
  • An annular disk 41 is in turn connected to the wing ends of the propeller 40, but is provided with a horizontal shoulder 42 parallel to the propeller axis. This has opposite surfaces and distributes permanent magnets 43, 44 over the circumference.
  • the L-shaped rotor which acts here as a radial field double reactor, receiving annular groove 45 in the partial tunnel of the stern and in the nozzle ring has stator windings 46, 47 in the surfaces opposite the rotor magnets.
  • the wing ends can be brought close to the inner wall of the tunnel or nozzle ring.
  • the annular groove receiving the radial part 41 of the rotor can be relatively wide are executed and in turn receive a coarse seal 48 at the entrance.
  • stator windings 46, 47 are placed in an annular bead 50 connected to the stern, for example via bolts 49. This facilitates maintenance and repair of the propeller 40. Openings 51 to the water side in the annular bead can also be provided here.

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Abstract

Um einen optimalen Propulsionsgütegrad bei maximaler Propellerabmessung zu erhalten, ist der Propeller (10) zumindestteilweise in einem in das Schiffsheck integrierten Tunnel (12) angeordnet, der durch einen Düsenring (13) um den restlichen Umgfang des Propellers geschlossen ist. Zur Lagerung der Propellerwelle (14) dienen Wellenblöcke (18) zur Schiffsaußenhaut und zur Ruderhacke (17) und/oder eine Wellenaufnahme im feststehenden Teil (15) des Ruderblattes (16).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebenen Propeller für Wasserfahrzeuge mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
  • Es sind Motorpropeller bekannt, bei denen der Propeller in einer Düse läuft, die um den Umfang verteilt die Statorwicklung aufnimmt. Die Flügelenden des Propellers sind über eine Gurtung miteinander verbunden. In die Gurtung sind, ebenfalls über den Umfang verteilt, Permanentmagnete zur Erregung des Motors eingesetzt. Ein derartiger Motorpropeller ist in der DE-Anmeldung P 32 46 730.3 beschrieben und bringt eine wesentliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber Antrieben mit sich, die von der Propellernabe angetrieben werden (vergl. DE-PS 688 114).
  • Es ist weiterhin bekannt, daß eine Verminderung der Drehzahl eines Propellers auf beispielsweise 58 U/min bei einer Durchmesservergrößerung auf 9 m zu einer Wirkungsgradverbesserung von ca. 15 % führt (vergl. STG-Jahrbuch 1980, Seiten 130 ff). Wegen des bei Schiffen herkömmlicher Bauart gegebenen Konstruktionstiefganges ist eine Vergrößerung des Propellerdurchmessers auf optimale Werte meistens nicht möglich. Insbesondere sind dann Grenzen zu beachten, wenn das Schiff bestimmte Fahrtrouten mit vorgegebenen Wassertiefen befährt.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, eins Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der ein optimaler Propulsionsgütegrad bei maximalen Propellerabmessungen erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Anordnung nach der Erfindung bringt wesentliche Vorteile mit sich. Wird die Statorwicklung in das an den Motorpropeller angepaßte Hinterschiff gelegt, so ist eine maximale Durchmesserausnutzung des Propellers gegeben. Eine weitere Verbesserung der Effektivität kann erreicht werden, wenn die Schiffsaußenhaut, die bei einem Zwei-Schrauber schiff den Propellermotor mehr als 50 % umgibt, zu einem Tunnel ausgebildet wird. Dieser Teiltunnel kann durch einen Düsanring geschlossen werden. Durch Wegfall der Wellenhose und der Wellenleitung und entsprechende Ausgestaltung des Hinterschiffes wird eine gleichmässige Ansträmung erzielt. Dadurch wird der Gesamtpropulsionsgütegrad gesteigert.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Es zeigen
    • Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Hecks eines Zweischraubenschiffes,
    • Fig. 2 Ansicht der in das Heck integrierten Doppelschrauben,
    • Fig. 3 Heckansicht bei einem Einschraubenschiff,
    • Fig. 4 Seitenansicht des Motorpropellers als RadialfeldMaschine
    • Fig. 5 Rotor- und Statorausführungen
    • Fig. 6 Seitenansicht des Propellers als Achsialfeld-Maschine mit Doppelrotor
    • Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des Doppelrotors aus Fig. 6 und
    • Fig. 8 eine Variante für einen Radialfeld-Doppelrotor.
  • Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß die beiden Propeller 1 und 2 so in das Hinterschiff 3 eingesetzt sind, daß sie in einer tunnelartigen Ausnehmung 4 laufen. Die besondere Ausbildung des Hinterschiffes 3 in der Form eines flossenartigen Fortsatzes 5 des Kieles führt zu einer mehr als 50 % Eintunnelung der Propeller '1, 2. Zur vollständigen Umfassung der Propeller kann ein Teildüsenring 6 an.die Teiltunnel eingefügt werden. Diese konstruktiv einfachere Form des Hinterschiffes 3 führt zu einer vergleichmäßigten Anströmung der Propeller 1, 2'und kann im günstigen Fall zu einer ca. 20 % Steigerung des Gesamtpropulsionsgütegrades führen.
  • Aus Fig. 2 ist noch deutlicher zu erkennen, daß die Propeller 1, 2 in das Hinterschiff 3 integriert sind. Die tunnelförmigen Ausnehmungen 4 werden durch die Düsenringe 6 ergänzt, so daß die Statorwicklungen gleichmäßig über den Umfang der Propeller verteilt werden können. Angedeutet sind die zur Halterung der Propellerwellen 7 dienenden Wellenböcke 8, die mit der Schiffshaut fest verbunden sind. Durch diese Ausbildung des Hinterschiffes wird selbst bei optimalen Propellerdurchmessern der Konstruktionstiefgang des Schiffes nicht überschritten.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen das Heck eines Einschraubenschiffes. Der Propeller 10 läuft konstruktionsbedingt nur zu etwa 1/3 seines Umfangs in einem in das Hinterschiff 11 integrierten Tunnel 12, während ca. 2/3 von einem Düsenring 13 gebildet werden.
  • Die Lagerung der Propellerwelle 14 und die Aufnahme der Schubkräfte kann im feststehenden Teil 15 eines Halbschweberuders 16 erfolgen, alternativ auch in einem Steg zur Ruderhacke 17. Radialkräfte können durch Gelenkarme 19 aufgenommen werden.
  • Die Statqrwicklung 19 ist, wie in Fig. 4 angedeutet, über den Tunnel 12 und den Düsenring 13 verteilt angeordnet. Die Erregung des Motors wird durch Permanentmagnete 20 erzeugt, die ebenfalls über den Umfang des Propellers in einer Gurtung 21 verteilt sind. Die Statorwicklung 19 wird zweckmässig von einem separaten Generator gespeist und mit einer Spannung entsprechend der Bordnetzspannung ausgelegt. Dadurch ist bei Ausfall der Hauptmaschine ein take-home-Betrieb über die Bordnetzgeneratoren und Umrichter möglich.
  • Um den Vorteil einer wirbelstromfreien Ablösung des Propellerstrahles hinter dem Propaller-Düsenring 22 zu erhalten, wie. Fig 5a und 5b zeigen, wird die Schiffsau3enhaut örtlich hinter der Statorwicklung 23, aber vor dem Ende der stromlinienförmig ausgebildeten Propellergurtung 22 enden (Fig.5a).
  • Die Schiffsaußenhaut kann als AbriBkante oder Ablaufwulst 24, auch abnehmbar, gestaltet sein (Fig. 5b). Anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird diese Ausführung näher behandelt.
  • In Fig. 6 ist eine Variante gezeigt, bei der die Flügalenden des Prapellers 25 mit einer Ringscheibe 25 verbunden sind. In die einander gegenüberliegenden Ringflächen sind Permanentmagnete 27, 28 über den Umfang verteilt eingelassen. Die Ringscheibe 25 läuft in einer Ringnut 29 des Teiltunnels und des Düsenringes, die entsprechend stärker in der Wandung ausgeführt sind. Der Rotor ist hier nach Art eines Achsialfeld-Doppelrotors ausgeführt. Zu beiden Seiten der Ringnut 29 sind die Statorwicklungen 30, 31 angeordnet. Die Propellerwelle 32 ist sowohl am festen Teil 33 des Ruders als auch mittels Gelenkarmen 34 an der Schiff saußenhaut gelagert, um die Schub- und Querkräfte aufzunehmen. Der Spalt zwischen Ringscheibe 26 und Ringnut 29 ist geflutet und am Eingang mit einer Grobdichtung 35 versehen, um Fremdkörper fernzuhalten.
  • Aus Fig. 7, die den in Fig. 6 kreisförmig umrandeten Teil vergrößert darstellt, geht hervor, daß die hintere Statorwicklung 31 in einem Ringwulst 36 angeordnet ist, der zur Herabsetzung des Wasserwiderstandes am Ende 37 stromlinienförmig ausläuft. Um die Wartung und Reparatur des Propellers zu erleichtern, ist der Ringwulst 36 nach achtern abnehmbar. Die Trennfuge kann dabei in der Mitte des Stegringes 38 verlaufen. In den Stegring können zur Wesserseite periphere Öffnungen 39 vorgesehen sein, um eine Spülung des gefluteten Ringspaltes sowie eine Kühlung des· Motors zu gewährleisten.
  • Schließlich sind in einer weiteren Variante gemä9 Fig. 8 Ringscheibe und Ringnut nach Fig. 6 durch zur Propellerachse parallele Ansätze L-förmig ausgebildet, wobei die elektrisch wirksamen Komponenten in die horizontalen Teile gelegt sind. Mit den Flügelenden des Propellers 40 ist wiederum eine Ringscheibe 41 verbunden, die allerdings einen horizontalen, zur Propellerachse parallelen Ansatz 42 erhält. Dieser weist auf einander gegenüberliegenden Flächen und verteilt über den Umfang Permanentmagnete 43, 44 auf. Die den L-förmigen Rotor, der hier als Radialfeld-Doppelrctor wirkt, aufnehmende Ringnut 45 im Teiltunnel des Hinterschiffes und im Düsenring weist in den den Rotormagneten gegenüberliegenden Flächen statorwicklungen 46, 47 auf.
  • Die Flügelenden können dicht an die Innenwand des Tunnels bzw. Düsenringes herangeführt werden. Die den radialen Teil 41 des Rotors aufnehmende Ringnut kann dagegen relativ breit ausgeführt werden und erhält am Eingang wiederum eine Grobdichtung 48.
  • Die Statorwicklungen 46, 47 sind in einem mit dem Hinterschiff beispielsweise über Schraubenbolzen 49 verbundenen Ringwulst 50 gelegt. Dadurch wird Wartung und Reparatur des Propellers 40 erleichtert. Auch hier können Öffnungen 51 zur Wasserseite im Ringwulst vorgesehen werden.

Claims (12)

1. Elektrisch angetriebener Propeller für Wasserfahrzeuge mit Permanenterregung in einer die Propellerflügelenden verbindenden Gurtung und einer ortsfest angebrachten Statorwicklung, bei dem der Ringspalt zwischen Stator und Rotor geflutet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller (1, 10) zumindest teilweise in einem in des Schiffsheck integrierten Tunnel (4, 12) angeordnet ist, der durch einen Düsenring (6, 13) um den restlichen Umfang des Propellers geschlossen ist, wobei zur Lagerung der Propellerwelle (7, 14) Wellenböcke (8, 18) zur Schiffsaußenhaut und zur Ruderhecke (17) und/oder eine Wellenaufnahme im feststehenden Teil (15) des Ruderblattes (16) dienen.
2. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz einer Radialfeldmaschine Ständerwicklung und die Permanentmagnete in der Propellergurtung in der Tunnel- und Düsenringwandung versenkt sind.
3. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (6, 13) als Teilkortdüse ausgebildet ist.
4. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das achterliche Ende von Tunnel (4, 12) und Düsenring (6, 13) vor der achterlichen Kante der Rotorgurtung (22) endet und als Abreißkante oder Wulst (24) ausgebildet ist.
5. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorgurtung stromlinienförmig ausgebildet ist.
6. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung von Tunnel und Düsenring eine radiale Ringnut (29) aufweist, in deren seitliche Begrenzungsflächen die Statorwicklungen (30, 31) eingesetzt sind, und daß der mit den Flügelender verbundene Rotor als radiale Ringscheibe (26) in die Ringnut eingreift und mit den Statorwicklungen gegenüberliegenden Erregermagneten (27, 28) versehen ist.
7. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ringnut (29) und Ringscheibe (26) eine Grobdichtung (35) angeordnet ist.
8. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (45) in der Tunnel-und Düsenringwandung und die mit ihr zusammenwirkende Ringscheibe (41) durch einen achsialen Ansatz (42) L-förmig ausgebildet sind, wobei Statorwicklungen (46, 47) und Erregermagnete (43, 44) im achsialen Teil einander gegenüberliegend angeordnet sind.
9. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der achsiale Ansatz (42) der Ringnut mit den einander gegenüberliegenden Statorwicklungen (45, 47) in einem als Wulstring (50) ausgebildeten Bauteil vorgesehen sind, der von achtern an das Schiffsheck anbringbar ist.
10. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der wulstring (50) zur Herabsetzung des Wasserwiderstandes stromlinienförmig ausgebildet ist.
11. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (45) bzw. deren achsialer Ansatz (42) durch periphere Öffnungen (51) mit dem umgebenden Wasser verbunden ist.
12. Elektrisch angetriebener Propeller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Statorwicklung (31) in einem wulstförmigen Bauteil (36) untergebracht ist, der abnehmbar mit dem Schiffsheck verbunden ist.
EP84102623A 1983-04-02 1984-03-10 Elektrisch angetriebener Schiffspropeller mit Permanenterregung in dem an den Flügeln befestigten Mantelring Expired EP0124720B1 (de)

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