EP2109565A1 - Strahlantrieb - Google Patents

Strahlantrieb

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EP2109565A1
EP2109565A1 EP08707069A EP08707069A EP2109565A1 EP 2109565 A1 EP2109565 A1 EP 2109565A1 EP 08707069 A EP08707069 A EP 08707069A EP 08707069 A EP08707069 A EP 08707069A EP 2109565 A1 EP2109565 A1 EP 2109565A1
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EP
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rotor
bearing
housing
ring
jet
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EP08707069A
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Dirk Büchler
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Voith Turbo Advanced Propeller Technologies GmbH and Co KG
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Air Fertigung Technologie GmbH and Co KG
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00—Marine propulsion by water jets
    • B63H11/02—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water
    • B63H11/04—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps
    • B63H11/08—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of rotary type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • 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
    • B63H1/16—Propellers having a shrouding ring attached to blades
    • B63H2001/165—Hubless propellers, e.g. peripherally driven shrouds with blades projecting from the shrouds' inside surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric

Definitions

  • the invention relates to a jet propulsion, in particular for watercraft.
  • Such jet drives a plurality of rotor blades are arranged on the inner circumference of the rotor, which extend up to the region of the axis of rotation of the rotor and leave there a space. The free ends of the rotor blades thus do not touch, and there is no hub provided. Furthermore, such a jet drive comprises a housing in which the rotor is rotatably mounted. The rotor is associated with an electric motor with rotor ring and stator ring. Rotor ring and stator are arranged coaxially with the rotor, and the rotor ring is rotatably connected to the rotor.
  • jet drives have numerous advantages over conventional jet drives. They are of relatively simple construction, therefore inexpensive to manufacture, and also have a relatively low efficiency. Nevertheless, such jet drives can be improved, in particular as far as the efficiency is concerned.
  • the invention has for its object to design a jet drive of the type mentioned in such a way that the efficiency compared to previously known jet drives of this type is improved.
  • a jet drive of the known type is carried out in a tandem arrangement.
  • two rotors are used and two electric motors, which are each arranged axially adjacent to each other as a unit. It can be provided a single housing that encloses the two units in the axial direction.
  • the tandem arrangement results in a higher energy yield during operation. The efficiency is thus greater than in a single jet drive with only a single unit of rotor and electric motor.
  • the tandem design according to the invention is more flexible in operation. So you do not have to operate both units at the same time. Rather, one or the other unit can be switched off or then switched on.
  • a load shift from a front to a rear rotor can be made with increasing speed.
  • the increase in pressure experienced by the rear propeller minimizes the risk of cavitation.
  • FIG. 1 shows a jet drive in an axially perpendicular view.
  • FIG. 2 shows the subject matter of FIG. 1 in an axial section, in accordance with the section line A - A in FIG. 1.
  • FIG. 3 again shows an axial section through a jet drive with two
  • Figure 4 shows a perspective, enlarged view of a section of the storage area.
  • FIG. 1 shows the blades 1 of the rotor of the first of the two units. In this case, there are seven leaves. But it could also be more or less. As you can see, the free ends of the leaves point to the center of the jet unit, leaving a space between the free ends.
  • Each unit comprises the following components: a rotor 3 or 4, on which the blades 1 and 2 are fixed, a rotor ring 5 and 6 and a stator 7 and 8, respectively, which is embedded in a housing 9 and 10 respectively.
  • a rotor 3 or 4 on which the blades 1 and 2 are fixed
  • a rotor ring 5 and 6 and a stator 7 and 8, respectively, which is embedded in a housing 9 and 10 respectively.
  • a spacer flange 11 is provided between the two units.
  • a bearing flange 12 or 13 is provided at the outer ends of the two housings.
  • the axial distance between the two rotors should be as small as possible. It is therefore desirable to dimension the said spacer flange 11 in the axial direction as small as possible. It could for example consist of a very thin sheet, which is only a few millimeters thick, for example 1 to 3 mm, or less than 1 mm, for example 0.5 to 1, 0 mm.
  • the axial distance should generally be less than 10 percent of the axial rotor size.
  • the two electric motors are designed so that they rotate in opposite directions. This is structurally well feasible in the design of the jet propulsion system chosen here, because this unit is hullless.
  • FIG. 3 shows details of a further embodiment of the jet drive according to the invention somewhat more precisely.
  • the rotor blades are omitted for greater clarity. It can be seen again the two rotors 3 and 4, with these rotatably connected rotor rings 5 and 6 and the stator 7 and 8, respectively. The whole is enclosed by a housing 9 and 10 respectively.
  • the bearings play an important role.
  • the jet engine is completely flooded.
  • the bearings are made of seawater-proof carbide.
  • the structure of the bearings can be seen from Figure 4. See there the bearing segments 14, 15 which are embedded in the housing 9 and 10 respectively.
  • the bearing segments 14, 15 are dovetail-shaped in cross-section, and the housing has corresponding recesses. -5
  • the bearing segments 14, 15 can be arranged at a certain mutual distance d. If this is the case, the grooves between the bearing segments are constantly flushed through, which means additional cooling of the bearing of the electric motor.
  • Two or more units can be connected axially in series. 5 Thus, three or four or even more units can be considered.

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Description

Strahlantrieb
Die Erfindung betrifft einen Strahlantrieb, insbesondere für Wasserfahrzeuge. Auf WO 2005/049420 wird verwiesen.
Bei solchen Strahlantrieben sind am Innenumfang des Rotors mehrere Rotorblätter angeordnet, die sich bis zum Bereich der Drehachse des Rotors hin erstrecken und dort einen Raum freilassen. Die freien Enden der Rotorblätter berühren sich somit nicht, und es ist auch keine Nabe vorgesehen. Ferner umfasst ein solcher Strahlantrieb ein Gehäuse, in dem der Rotor drehbar gelagert ist. Dem Rotor ist ein Elektromotor mit Läuferring und Statorring zugeordnet. Läuferring und Statorring sind koaxial zu dem Rotor angeordnet, und der Läuferring ist mit dem Rotor drehfest verbunden.
Solche Strahlantriebe haben gegenüber konventionellen Strahlantrieben zahlreiche Vorteile. Sie sind von verhältnismäßig einfachem Aufbau, daher kostengünstig in der Herstellung, und haben außerdem einen relativ günstigen Wirkungsgrad. Gleichwohl sind derartige Strahlantriebe verbesserungsfähig, insbesondere was den Wirkungsgrad anbetrifft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlantrieb der genannten Bauart derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad gegenüber bisher bekannten Strahlantrieben dieser Bauart verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß wird ein Strahlantrieb der bekannten Bauart in einer Tandemanordnung ausgeführt. Dabei werden zwei Rotoren verwendet sowie zwei Elektromotoren, die jeweils als eine Einheit axial nebeneinander angeordnet sind. Es kann ein einziges Gehäuse vorgesehen werden, dass die beiden Einheiten in axialer Richtung umschließt. Durch die Tandemanordnung ergibt sich während des Betriebes eine höhere Energieausbeute. Der Wirkungsgrad ist somit größer, als bei einem Einzel- Strahlantrieb mit nur einer einzigen Einheit aus Rotor und Elektromotor. Außerdem ist die erfindungsgemäße Tandem-Bauart flexibler im Betrieb. So müssen nicht beide Einheiten gleichzeitig betrieben werden. Vielmehr kann die eine oder die andere Einheit abgeschaltet beziehungsweise sodann zugeschaltet werden.
Gemäß einem weiteren Gedanken wird eine besondere Regelung vorgesehen.
Hiermit lassen sich die Drehzahlen der Rotoren einzelner Einheiten unabhängig voneinander regeln. Es können damit für beliebige Fahrzustände die Drehzahlen der Rotoren einzelner Einheiten derart gewählt werden, dass für das
Gesamtsystem Drehmomentenfreiheit gewährleistet ist. Damit lässt sich für beliebige Fahrzustände der Wirkungsgrad optimieren. Es lässt sich für das gesamte System ein Wirkungsgrad-Maximum erzielen.
Dies ist insbesondere vorteilhaft für ein Schiff, dessen Betriebsbedingungen stark verändert werden.
Bei schnell fahrenden Wasserfahrzeugen ist auch die folgende Regelung möglich: Es lässt sich eine Lastverschiebung von einem vorderen auf einen hinteren Rotor mit zunehmender Geschwindigkeit vornehmen. Durch den Druckzuwachs, den der hintere Propeller damit erfährt, lässt sich die Kavitationsgefahr minimieren.
Auch ist es möglich, das hintere Axiallager eines in Fahrtrichtung gesehen vorderen Rotors gegen das vordere Axiallager eines in Fahrtrichtung hinteren
Rotors laufen zu lassen. Hierdurch lässt sich eine höhere Relativgeschwindigkeit im Lager erzielen. Lagergröße und baulicher Aufwand lassen sich damit reduzieren.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt: Figur 1 zeigt einen Strahlantrieb in einer achssenkrechten Ansicht.
Figur 2 zeigt den Gegenstand von Figur 1 in einem Axialschnitt, und zwar gemäß der Schnittlinie A - A in Figur 1.
Figur 3 zeigt wiederum einen Axialschnitt durch einen Strahlantrieb mit zwei
Einheiten im Ausschnitt.
Figur 4 zeigt in einer perspektivischen, vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt aus dem Lagerbereich.
Figur 1 zeigt die Blätter 1 des Rotors der ersten der beiden Einheiten. Im vorliegenden Falle handelt es sich um sieben Blätter. Es könnten aber auch mehr oder weniger sein. Wie man sieht, weisen die freien Enden der Blätter auf das Zentrum der Strahleinheit, so dass zwischen den freien Enden ein Freiraum verbleibt.
Aus Figur 2 erkennt man, dass es sich um zwei Einheiten handelt. Hieraus sind auch einige der Blätter der beiden Strahleinheiten zu erkennen, nämlich wiederum Blätter 1 der ersten Einheit und Blätter 2 der zweiten Einheit.
Jede Einheit weist die folgenden Bauteile auf: einen Rotor 3 beziehungsweise 4, an dem die Blätter 1 beziehungsweise 2 fixiert sind, einen Läuferring 5 beziehungsweise 6 sowie einen Statorring 7 beziehungsweise 8, der jeweils in ein Gehäuse 9 beziehungsweise 10 eingelassen ist. Außerdem erkennt man den Fuß 1.1 beziehungsweise 2.1 des einzelnen Blattes.
Alle diese Bauteile, somit Fuß des Blattes, Rotor 3 beziehungsweise 4, Läuferring 5 beziehungsweise 6 und Statorring 7 beziehungsweise 8 sind koaxial zueinander angeordnet. Der Läuferring ist mit dem Rotor drehfest verbunden. Zwischen dem Läuferring und dem Statorring herrscht ein Luftspalt von minimaler Weite. Die beiden Gehäuse 9, 10 könnten auch aus einem einzigen Teil bestehen.
Zwischen den beiden Einheiten ist ein Abstandsflansch 11 vorgesehen. An den äußeren Enden der beiden Gehäuse ist wiederum ein Lagerflansch 12 beziehungsweise 13 vorgesehen.
Der axiale Abstand zwischen den beiden Rotoren sollte so klein wie möglich sein. Es ist daher wünschenswert, den genannten Abstandsflansch 11 in axialer Richtung möglichst klein zu bemessen. Er könnte beispielsweise aus einem ganz dünnen Blech bestehen, das nur wenige Millimeter stark ist, beispielsweise 1 bis 3 mm, oder kleiner als 1 mm, beispielsweise 0,5 bis 1 ,0 mm.
Der axiale Abstand sollte ganz allgemein kleiner als 10 Prozent des axialen Rotormaßes sein.
Die beiden Elektromotoren sind derart ausgelegt, dass sie in gegenläufigem Drehsinn umlaufen. Dies ist bei der hier gewählten Bauweise des Strahlantriebes konstruktiv gut verwirklichbar, weil diese Baueinheit nämlich nabenlos ist.
Die erfindungsgemäße Tandem-Bauart hat große Vorteil bezüglich des
Wirkungsgrades. Dieser ist wesentlich höher, als bei einem entsprechend bemessenen Einzel-Strahlantrieb.
Figur 3 zeigt Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlantriebes etwas genauer. Dabei sind die Rotorblätter der größeren Klarheit wegen weggelassen. Man erkennt wiederum die beiden Rotoren 3 beziehungsweise 4, die mit diesen drehfest verbundenen Läuferringe 5 beziehungsweise 6 sowie die Statorringe 7 beziehungsweise 8. Das Ganze ist von einem Gehäuse 9 beziehungsweise 10 umschlossen.
Eine wichtige Rolle spielen die Lager. Der Strahlantrieb ist völlig geflutet. Die Lager bestehen aus seewasserfestem Carbid. Den Aufbau der Lager erkennt man aus Figur 4. Siehe dort die Lagersegmente 14, 15 die in das Gehäuse 9 beziehungsweise 10 eingelassen sind. Die Lagersegmente 14, 15 sind im Querschnitt schwalbenschwanzförmig, und das Gehäuse hat entsprechende Aussparungen. -5
Je nachdem, ob eine Durchspülung am Gehäuselager vorgesehen ist oder nicht, können die Lagersegmente 14, 15 in einem gewissen gegenseitigen Abstand d angeordnet werden. 0 Ist dies der Fall, so werden die Nuten zwischen den Lagersegmenten ständig durchspült, was eine zusätzliche Kühlung der Lagerung des Elektromotores bedeutet.
Es können zwei oder mehrere Einheiten axial hintereinander geschaltet werden. 5 Es kommen somit auch drei oder vier oder noch mehr Einheiten in Betracht.
Bezugszeichen liste
1 Rotorblatt
1.1 Fuß des Rotorblattes
2 Rotorblatt
2.1 Fuß des Rotorblattes
3 Rotor
4 Rotor
5 Läuferring
6 Läuferring
7 Statorring
8 Statorring
9 Gehäuse
10 Gehäuse
11 Abstandsflansch
12 Lagerflansch
13 Lagerflansch
14 Lagersegmente
15 Lagersegmente

Claims

Patentansprüche
1. Strahlantrieb
1.1 umfassend zwei oder mehrere axial hintereinander angeordnete Einheiten; • 5 1.2 jede Einheit weist die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale auf: einen nabenlosen Rotor (3, 4), an dessen Innenumfang Rotorblätter
(1 , 2) fixiert sind; ein Gehäuse (9, 10), in dem der Rotor (3, 4) drehbar gelagert ist; jeder Rotor (3, 4) ist von einem Elektromotor mit Läuferring (5, 6) und 0 Statorring (7, 8) umschlossen; der Läuferring (5, 6) ist mit dem Rotor (3, 4) drehfest verbunden;
1.3 die beiden Elektromotoren sind für einander entgegengesetzte Drehrichtungen ausgelegt;
1.4 die Lagerung zwischen Rotor (3, 4) und Gehäuse (9, 10) weist 15 seewasserfestes Carbid auf.
2. Strahlantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung zwischen Rotor (3, 4) und Gehäuse (9, 10) Siliciumcarbid oder Aluminiumcarbid aufweist. 0
3. Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung zwischen Rotor (3,
4) und Gehäuse (9, 10) ausschließlich aus Carbid besteht. 5 4. Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung aus Gleitlagern gebildet ist.
5. Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen der Rotoren (3, 4) der Einheiten unabhängig 0 voneinander regelbar sind.
6. Strahlantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Axiallager eines in Fahrtrichtung gesehen vorderen Propellers gegen das vordere Lager eines in Fahrtrichtung gesehen hinteren Propellers läuft.
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