EP1008514A1 - Schiffsantrieb - Google Patents
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- EP1008514A1 EP1008514A1 EP99124176A EP99124176A EP1008514A1 EP 1008514 A1 EP1008514 A1 EP 1008514A1 EP 99124176 A EP99124176 A EP 99124176A EP 99124176 A EP99124176 A EP 99124176A EP 1008514 A1 EP1008514 A1 EP 1008514A1
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
- B63H25/42—Steering or dynamic anchoring by propulsive elements; Steering or dynamic anchoring by propellers used therefor only; Steering or dynamic anchoring by rudders carrying propellers
-
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- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
- B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
- B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
- B63H1/14—Propellers
Definitions
- the invention relates to a ship propulsion with on in the hull or under propellers arranged at the stern of the ship.
- the Voith-Schneider propeller In inland navigation, the Voith-Schneider propeller has proven itself as a ship propulsion system for push and towing vehicles (water tractors) because of the high maneuverability of the units. Since the propeller jet can be directed as desired due to the relatively simple concentric shift of the control point, the installation of a rudder in ship units with a Voith-Schneider drive is completely unnecessary and therefore no longer available. Furthermore, with the possibility of producing reliable Z-gears, propulsion systems have also become established, in which the propeller is attached to a pylon which can be rotated through 360 ° and is formed in a streamlined manner under the ship. These rudder propellers are used in one structural unit for both ship propulsion and ship control.
- the latest state of the art in this area are the Azipod propellers, where instead of a mechanical drive of the propeller via a Z gear, the drive takes place via an electric motor mounted in front of the propeller and rotatable with it.
- the traditional rudder is also omitted in this ship propulsion system with a propeller arranged within a rotatable pylon.
- deflection of the propeller jet is only possible if the propeller rotates within a nozzle which can be pivoted about a vertical axis.
- jet rudders have a better rudder effect than conventional rudders, it is not possible to dispense with the arrangement of two mechanically separate units - thrust drive and ship control.
- the object of the invention is to provide a ship propulsion with or in the hull propellers located under the stern of the ship are arranged create, especially for pushers and barges, with which both an optimal Thrust for forward and reverse travel can be achieved as well Control movements of the ship object can be carried out.
- the object is achieved in that the drive shafts fixed in the hull or under the ship's stern are arranged in pairs in the range from just above to just below the water surface, the construction waterline, and in that at the stern of the watercraft on the tail ends of the paired propeller shafts on the surface rotating propellers are mounted so that the turning circle of the so-called surface propellers is at least 30% above the water surface, and that the watercraft is equipped without an additional control element, such as a rudder.
- two surface-adjusting propellers which are essentially adjacent to one another and rotate in the opposite direction during normal cruising are preferably provided at the stern of the watercraft.
- control maneuvers is achieved according to the invention both by adjusting the propeller blades and by reversing the direction of rotation of one of the two propellers, so that the impeller effect of both surface-adjusting propellers is then brought into effect in the same direction.
- the propeller shafts are each arranged in an angular range of 0 ° to 45 °, preferably 0 ° to 20 °, to the longitudinal axis of the ship in the horizontal plane in order to achieve a larger force vector in the direction of movement of the ship by superimposing the thrust and transverse force components .
- the blades of the surface-adjusting propellers should be manufactured according to the invention from fiber composite materials in order to avoid these high propeller weights.
- the prerequisite is a universal control option for the pitch, speed and direction of rotation of each propeller.
- the cheapest way to do this is with a diesel-electric control concept.
- the first two columns of FIG. 2 show the axially parallel arrangement of the propeller axles, in the third column a thrust-optimized variant which is slightly twisted out of the longitudinal axis of the ship.
- the movement concept will be presented using the thrust-optimized variant.
- a thrust component and a lateral force are formed. These two components can be changed by varying the incline and speed. In principle, this gives you the option of driving straight ahead with a propeller and also making slight turns / displacements.
- the use of two propellers results in considerably more favorable control properties.
- the propellers turn in the opposite direction.
- the slope corresponds to one for the Performance implementation optimal point.
- the lateral forces rise through the opposite direction of rotation.
- the speed of the propeller or power conversion is on each propeller differently. With full power conversion, the propeller with the lower one Speed a higher slope. This significantly increases the lateral force. There is a rotation combined with an offset.
- a propeller works with a thrust vector ahead and a direction of transverse force.
- the other propeller works with rearward thrust vector and with one in same direction as the first propeller pointing shear force vector.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit auf fest im Schiffskörper oder unter dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen angeordneten Propellern. Um bei solchen Schiffsantrieben eine optimale Schubkraft für die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt bei gleichzeitigem Wegfall eines separaten Steuerorgans zu erreichen, werden die Antriebswellen paarweise im Bereich von knapp oberhalb bis knapp unterhalb der Wasseroberfläche am Heck eines Schiffs- bzw. Bootskörpers gelagert und auf die Schwanzenden der Antriebswellen an der Oberfläche drehende Verstellpropeller montiert, so daß der Drehkreis der sogenannten Oberflächen-Verstell-Propeller zumindest 30% oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist und der Schiffs- bzw. Bootskörper ohne ein zusätzliches Steuerorgan, z.B. ein Ruder, ausgerüstet ist. Dabei sind die paarweise angeordneten Oberflächen-Verstell-Propeller für die normale Marschfahrt entgegengesetzt drehend schaltbar und für Steuermanöver gleichsinnig drehend schaltbar und das Maß der Steuerbewegung ist durch Veränderungen von Steigung der Propellerflügel und der Drehzahl der Propeller- bzw. Antriebswellen einstellbar. <IMAGE> <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit auf fest im Schiffskörper oder unter
dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen angeordneten Propellern.
In der Binnenschiffahrt hat sich bei Schub- und Schleppfahrzeugen (Wassertrecker)
der Voith-Schneider-Propeller als Schiffsantrieb wegen der damit erreichbaren
hohen Manövrierfähigkeit der Einheiten bewährt. Da der Propellerstrahl durch die
relativ einfache konzentrische Verschiebung des Steuerpunktes beliebig gerichtet
werden kann, ist somit der Einbau eines Ruders bei Schiffseinheiten mit einem
Voith-Schneider-Antrieb völlig überflüssig und deshalb ein solches nicht mehr
vorhanden.
Weiterhin haben sich mit der Möglichkeit der Herstellung zuverlässiger Z-Getriebe auch Antriebsanlagen durchgesetzt, bei der die Schiffsschraube an einem um 360° drehbaren, stromlinienförmig ausgebildeten Pylon unter dem Schiff befestigt ist. Diese Ruderpropeller dienen in einer Baueinheit sowohl dem Schiffsantrieb als auch der Schiffssteuerung.
Den neuesten Stand auf diesem Gebiet stellen die Azipodpropeller dar, wo statt eines mechanischen Antriebs des Propellers über ein Z-Getriebe der Antrieb über einen vor dem Propeller gelagerten und mit ihm drehbaren E-Motor erfolgt. Bei diesem Schiffsantrieb mit innerhalb eines drehbaren Pylons angeordnetem Propeller entfällt natürlich auch das traditionelle Ruder.
Bei fest auf im Schiffskörper oder unter dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen angeordneten Propellern ist eine Umlenkung des Propellerstrahles jedoch nur dann möglich, wenn der Propeller innerhalb einer um eine senkrechte Achse verschwenkbaren Düse rotiert. Diese sogenannten Düsenruder bringen zwar gegenüber herkömmlichen Rudern eine bessere Ruderwirkung, jedoch kann nicht auf die Anordnung zweier mechanisch getrennter Einheiten - Schubantrieb und Schiffssteuerung - verzichtet werden.
Weiterhin haben sich mit der Möglichkeit der Herstellung zuverlässiger Z-Getriebe auch Antriebsanlagen durchgesetzt, bei der die Schiffsschraube an einem um 360° drehbaren, stromlinienförmig ausgebildeten Pylon unter dem Schiff befestigt ist. Diese Ruderpropeller dienen in einer Baueinheit sowohl dem Schiffsantrieb als auch der Schiffssteuerung.
Den neuesten Stand auf diesem Gebiet stellen die Azipodpropeller dar, wo statt eines mechanischen Antriebs des Propellers über ein Z-Getriebe der Antrieb über einen vor dem Propeller gelagerten und mit ihm drehbaren E-Motor erfolgt. Bei diesem Schiffsantrieb mit innerhalb eines drehbaren Pylons angeordnetem Propeller entfällt natürlich auch das traditionelle Ruder.
Bei fest auf im Schiffskörper oder unter dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen angeordneten Propellern ist eine Umlenkung des Propellerstrahles jedoch nur dann möglich, wenn der Propeller innerhalb einer um eine senkrechte Achse verschwenkbaren Düse rotiert. Diese sogenannten Düsenruder bringen zwar gegenüber herkömmlichen Rudern eine bessere Ruderwirkung, jedoch kann nicht auf die Anordnung zweier mechanisch getrennter Einheiten - Schubantrieb und Schiffssteuerung - verzichtet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schiffsantrieb mit fest auf im Schiffskörper oder
unter dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen angeordneten Propellern zu
schaffen, insbesondere für Schub- und Binnenschiffe, mit dem sowohl eine optimale
Schubkraft für die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt erreicht werden kann als auch die
Steuerbewegungen des Schiffsobjektes ausgeführt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch erreicht, daß die fest im Schiffskörper
oder unter dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen paarweise im Bereich von
knapp oberhalb bis knapp unterhalb der Wasseroberfläche, der Konstruktionswasserlinie,
angeordnet werden und daß am Heck des Wasserfahrzeugs auf den
Schwanzenden der paarweisen Propellerwellen an der Oberfläche drehende
Verstellpropeller montiert werden, so daß der Drehkreis der sogenannten
Oberflächen-Verstell-Propeller sich zumindest 30% oberhalb der Wasseroberfläche
befindet, und daß das Wasserfahrzeug ohne ein zusätzliches Steuerorgan, z.B. ein
Ruder, ausgerüstet wird.
Erfindungsgemäß werden vorzugsweise am Heck des Wasserfahrzeugs zwei im wesentlichen nebeneinander liegende und bei normaler Marschfahrt entgegengesetzt drehende Oberflächen-Verstell-Propeller vorgesehen.
Die Ausführung von Steuermanövern wird erfindungsgemäß sowohl durch die Verstellung der Propellerflügel als auch durch das Umsteuern der Drehrichtung eines der beiden Propeller erreicht, so daß dann der Schaufelradeffekt beider Oberflächen-Verstell-Propeller in gleicher Richtung zur Wirkung gebracht wird.
Erfindungsgemäß werden weiterhin die Propellerwellen jeweils in einem Winkelbereich von 0° bis 45°, vorzugsweise von 0° bis 20°, zur Schiffslängsachse in der horizontalen Ebene angeordnet, um durch Überlagerung der Schubkraft- und der Querkraftkomponenten einen größeren Kraftvektor in Bewegungsrichtung des Schiffes zu erreichen.
Da die relativ großen Propellerdurchmesser, die hohen Flügelzahlen und die großen Nabendurchmesser bei Propellern aus Bronze zu hohen Propellergewichten führen, sollten zur Vermeidung dieser hohen Propellergewichte die Flügel der Oberflächen-Verstell-Propeller erfindungsgemäß aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt werden.
Erfindungsgemäß werden vorzugsweise am Heck des Wasserfahrzeugs zwei im wesentlichen nebeneinander liegende und bei normaler Marschfahrt entgegengesetzt drehende Oberflächen-Verstell-Propeller vorgesehen.
Die Ausführung von Steuermanövern wird erfindungsgemäß sowohl durch die Verstellung der Propellerflügel als auch durch das Umsteuern der Drehrichtung eines der beiden Propeller erreicht, so daß dann der Schaufelradeffekt beider Oberflächen-Verstell-Propeller in gleicher Richtung zur Wirkung gebracht wird.
Erfindungsgemäß werden weiterhin die Propellerwellen jeweils in einem Winkelbereich von 0° bis 45°, vorzugsweise von 0° bis 20°, zur Schiffslängsachse in der horizontalen Ebene angeordnet, um durch Überlagerung der Schubkraft- und der Querkraftkomponenten einen größeren Kraftvektor in Bewegungsrichtung des Schiffes zu erreichen.
Da die relativ großen Propellerdurchmesser, die hohen Flügelzahlen und die großen Nabendurchmesser bei Propellern aus Bronze zu hohen Propellergewichten führen, sollten zur Vermeidung dieser hohen Propellergewichte die Flügel der Oberflächen-Verstell-Propeller erfindungsgemäß aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt werden.
Nachstehend wird die Erfindung an dem Steuer- und Manövrierkonzept für ein
Stromschubboot mit Oberflächenpropeller näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1:
- Die Seitenansicht eines Schubbootes mit Anordnung von Oberflächen-Verstell-Propellern am Heck;
- Fig. 1a:
- Die stilisierte Darstellung eines Schubbootes mit Anordnung von Oberflächen-Verstell-Propellern am Heck;
- Fig. 2:
- Die Antriebs- und Bewegungsvektoren von Oberflächensystemen;
- Fig. 3:
- Vektoren bei Geradeausfahrt;
- Fig. 4:
- Vektoren bei normalem Drehkreis;
- Fig. 5:
- Vektoren bei Rückwärtsfahrt durch Drehrichtungsumkehr;
- Fig. 6:
- Vektoren bei Rückwärtsfahrt durch Steigungsänderung.
Bei einer Anordnung der Oberflächenpropellern hinter dem Schiff ist die Verwendung
von zusätzlichen Rudern nicht nötig, da eine Steuerung des Schiffes nur mit dem
Propeller möglich ist. Die Besonderheit des oberflächendurchstoßenden Propellers
ist, daß die Flügel nur mit der unteren Propellerkreisfläche ins Waser eintauchen und
somit stets eine Querkraft am Propeller vorhanden ist. Diese Querkräfte des
Propellers können zum Steuern ausgenutzt werden.
Durch die paarweise Kombination von zwei Oberflächen-Verstell-Propellern ist die Möglichkeit einer universellen Steuerung durch die in zwei Richtungen steuerbare Kraftvektoren Schub und Querkraft je Propeller gegeben.Erreicht wird dies durch die Kombination von Drehzahl/Richtung mit einer Steigungsverstellung. Entsprechend Fig. 2 lassen sich theoretisch damit alle Bewegungsformen auch ohne Ruder bzw. Bugstrahlruder in der horizontalen Ebene erreichen. Voraussetzung ist eine universelle Steuermöglichkeit von Steigung, Drehzahl und Drehrichtung jedes Propellers. Am günstigsten wird das durch ein dieselelektrisches Steuerkonzept verwirklicht.
In den ersten beiden Spalten der Fig. 2 ist die achsparallele Anordnung der Propellerachsen dargestellt, in der dritten Spalte eine schuboptimierte, leicht aus der Schiffslängsachse herausgedrehte Variante.
Im Weiteren soll das Bewegungskonzept anhand der schuboptimierten Variante vorgestellt weden. Beim Antrieb eines Propellers bildet sich eine Schubkomponente und eine Querkraft. Diese beiden Komponenten können durch Variation von Steigung und Drehzahl zueinander verändert werden. Prinzipiell ist damit die Möglichkeit gegeben, mit einem Propeller geradeaus zu fahren und auch leichte Drehungen/Versetzungen durchzuführen. Durch die Verwendung von zwei Propellern ergeben sich jedoch erheblich günstigere Steuereigenschaften.
Durch die paarweise Kombination von zwei Oberflächen-Verstell-Propellern ist die Möglichkeit einer universellen Steuerung durch die in zwei Richtungen steuerbare Kraftvektoren Schub und Querkraft je Propeller gegeben.Erreicht wird dies durch die Kombination von Drehzahl/Richtung mit einer Steigungsverstellung. Entsprechend Fig. 2 lassen sich theoretisch damit alle Bewegungsformen auch ohne Ruder bzw. Bugstrahlruder in der horizontalen Ebene erreichen. Voraussetzung ist eine universelle Steuermöglichkeit von Steigung, Drehzahl und Drehrichtung jedes Propellers. Am günstigsten wird das durch ein dieselelektrisches Steuerkonzept verwirklicht.
In den ersten beiden Spalten der Fig. 2 ist die achsparallele Anordnung der Propellerachsen dargestellt, in der dritten Spalte eine schuboptimierte, leicht aus der Schiffslängsachse herausgedrehte Variante.
Im Weiteren soll das Bewegungskonzept anhand der schuboptimierten Variante vorgestellt weden. Beim Antrieb eines Propellers bildet sich eine Schubkomponente und eine Querkraft. Diese beiden Komponenten können durch Variation von Steigung und Drehzahl zueinander verändert werden. Prinzipiell ist damit die Möglichkeit gegeben, mit einem Propeller geradeaus zu fahren und auch leichte Drehungen/Versetzungen durchzuführen. Durch die Verwendung von zwei Propellern ergeben sich jedoch erheblich günstigere Steuereigenschaften.
Die einzelnen Bewegungsformen werden dabei wie folgt erzielt:
Die Propeller drehen entgegengesetzt. Die Steigung entspricht einem für die
Leistungsumsetzung optimalen Punkt. Die Querkräfte heben sich durch die
entgegengesetzte Drehrichtung auf.
Die Drehzahl der Propeller oder Leistungsumsetzung ist an jedem Propeller
unterschiedlich. Bei voller Leistungsumsetzung hat der Propeller mit der geringeren
Drehzahl eine höhere Steigung. Dadurch wird die Querkraft wesentlich vergrößert.
Es erfolgt eine Drehung, kombiniert mit einem Versatz.
Es arbeitet nur ein Propeller oder beide Propeller haben die gleiche Drehrichtung bei
gleicher Steigungsrichtung.
Ein Propeller arbeitet mit Schubvektor voraus und einer Querkraftrichtung. Der
andere Propeller arbeitet mit rückwärtsgerichtetem Schubvektor und mit einem in die
gleiche Richtung wie der erste Propeller weisenden Querkraftvektor.
Beide Propeller arbeiten mit entgegengesetzter Drehrichtung gleicher
Steigungseinstellung und rückwärtsgerichtetem Schubvektor.
Claims (4)
- Schiffsantrieb mit auf fest im Schiffsköper oder unter dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen angeordneten Propellern, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswellen paarweise im Bereich von knapp oberhalb bis knapp unterhalb der Wasseroberfläche, der Konstruktionswasserlinie, am Heck eines Schiffs- bzw. Bootskörpers gelagert sind und daß auf den Schwanzenden der Antriebswellen an der Oberfläche drehende Verstellpropeller montiert sind, so daß der Drehkreis der sogenannten Oberflächen-Verstell-Propeller zumindest 30% oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist und daß der Schiffs- bzw. Bootskörper ohne ein zusätzliches Steuerorgan, z.B. ein Ruder, ausgerüstet ist.
- Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die paarweise angeordneten Oberflächen-Verstell-Propeller für die normale Marschfahrt entgegengesetzt drehend schaltbar sind und für Steuermanöver gleichsinnig drehend schaltbar sind und daß das Maß der Steuerbewegung durch Veränderungen von Steigung der Propellerflügel und der Drehzahl der Propeller- bzw. Antriebswellen einstellbar ist.
- Schiffsantrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswellen jeweils in einem Winkelbereich von 0° bis 45°, vorzugsweise von 0° bis 20°, zur Schiffslängsachse in der horizontalen Ebene angeordnet sind.
- Schiffsantrieb nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel der Oberflächen-Verstell-Propeller aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sind.
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
DE19856305 | 1998-12-07 | ||
DE1998156305 DE19856305A1 (de) | 1998-12-07 | 1998-12-07 | Schiffsantrieb |
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Family Applications (1)
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EP99124176A Withdrawn EP1008514A1 (de) | 1998-12-07 | 1999-12-03 | Schiffsantrieb |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19856305A1 (de) |
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