EP2323904B1 - Schiffsantrieb für ein wasserfahrzeug - Google Patents

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EP2323904B1
EP2323904B1 EP09780769A EP09780769A EP2323904B1 EP 2323904 B1 EP2323904 B1 EP 2323904B1 EP 09780769 A EP09780769 A EP 09780769A EP 09780769 A EP09780769 A EP 09780769A EP 2323904 B1 EP2323904 B1 EP 2323904B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
propulsion system
recess
shaft
vessel
electric motor
Prior art date
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Active
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EP09780769A
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English (en)
French (fr)
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EP2323904A2 (de
Inventor
Vladimir Danov
Andreas SCHRÖTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2323904A2 publication Critical patent/EP2323904A2/de
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Publication of EP2323904B1 publication Critical patent/EP2323904B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/38—Apparatus or methods specially adapted for use on marine vessels, for handling power plant or unit liquids, e.g. lubricants, coolants, fuels or the like
    • B63H21/383—Apparatus or methods specially adapted for use on marine vessels, for handling power plant or unit liquids, e.g. lubricants, coolants, fuels or the like for handling cooling-water

Definitions

  • the invention relates to a ship propulsion for a watercraft, comprising at least one propeller, with which a driving force for the watercraft can be generated.
  • the drive of the propeller is via an electric motor whose rotor is mechanically coupled via a shaft directly to the at least one propeller, so that by rotation of the rotor, the at least one propeller is displaceable in a corresponding rotational movement.
  • Such a ship propulsion is eg from the US 2004/0248479 A1 known.
  • a gearless drive technology Under a direct connection of the electric motor with the propeller, which is also referred to as a propeller, is to be understood in the context of the present description, a gearless drive technology.
  • the change in the speed of the propeller is caused solely by the change in engine speed.
  • Such an implementation has the advantage that a transmission between the engine and the propeller is not necessary and the necessary propulsion motors for the propeller do not always have to run at full speed, if this is not needed on the propeller.
  • To realize such ship propulsion efficient and powerful electric motors with high power density are necessary. It should be noted that the high power density of the drive motor is not paid for by a lower efficiency or lower durability.
  • the ship propulsion system is used as a gondola or POD drive formed.
  • a gondola or POD drive has improved maneuverability for large seagoing vessels.
  • To improve the efficiency with less cavitation and noise is proposed in the publication to provide two successively arranged and with respect to the twist action counter-rotating propeller to the nacelle.
  • a permanent-magnet synchronous motor housed in the nacelle drives the two propellers with opposite pitch.
  • the rotor of the asynchronous motor is firmly connected to the rear propeller and the armature of the synchronous machine, the rotor of the synchronous machine carrying the pole system, however, connected to the front propeller. This is shown schematically in Figure 3 of the publication.
  • the ship propulsion system further comprises an electric motor whose rotor is mechanically coupled via a shaft directly to the at least one propeller, so that the at least one propeller can be displaced into a corresponding rotational movement by a rotation of the rotor.
  • the ship propulsion characterized by the fact that for cooling the rotor of the electric motor arranged in the shaft thermosyphon is provided, wherein the propeller serves as a heat sink for a working medium of the thermosyphon.
  • the invention makes use of the fact that in electric motors cooling of the rotor leads to an increase in the efficiency.
  • the cooling of the electric motor is effected by a thermosiphon in the rotor shaft.
  • the heat dissipated by the rotor is delivered through the thermosyphon to the propeller located in the water, so that the propeller serves as a condenser or is designed.
  • the components necessary for cooling the electric motor are maintenance-free and can always be used where, in the case of a ship propulsion, an electric motor is connected directly to a propeller or a propeller. This is usually the case with the already mentioned at the beginning POD drive concepts, submarine drives, etc. the case. Due to the arranged in their cooling medium propeller results in excellent heat dissipation. In addition, there is the advantage of a reduced winding temperature, so that less costly casting resins with a lower temperature class can be used for the windings. As a result, the cost of the marine propulsion can be reduced.
  • a longitudinally extending recess is provided for forming the thermosyphon in the shaft, in which the working medium can circulate between liquid and gaseous due to a change in the state of matter. It is expedient here if the recess extends over the entire width of the rotor of the electric motor, so that the best possible heat input into the working medium in the thermosyphon can take place. In addition, it is still advantageous if the recess is formed in the region of bearing points of the electric motor. In addition to the cooling of the rotor, bearing temperatures at the bearing points of the drive train are made uniform and reduced, which increases the service life of these highly loaded wearing parts.
  • the shaft has a central portion and at least one end portion which is fixedly connected to the central portion and to which the at least one propeller is fastened, wherein the recess is cylindrical in the central portion and the recess in the at least one end portion is conical.
  • a specific embodiment provides that the electric motor and at least part of a central portion of the shaft are arranged fluid-tight in a housing part, in particular a housing pod, wherein the at least one end portion is formed outside the housing part. It is understood that in the region in which the shaft passes through the housing part, corresponding sealing means are provided to prevent the ingress of water into the interior of the housing part, in which electrical components are provided.
  • a device is provided in the conical recess of the at least one end section with spokes extending radially from a central hub in order to improve the formation of a condensate film of the working medium on the conical wall of the end section.
  • the device is preferably arranged in the conical recess and aims at an improved circulation of the working medium in the thermosyphon.
  • the diameter of the recess, in particular in the central portion, in relation to the diameter of the shaft is such that at least a predetermined torque can be transmitted to the at least one propeller.
  • the transmissible by the electric motor to the impeller torque is reduced.
  • the structural design of the thermosyphon is therefore important to ensure that an at least necessary torque from the shaft can still be transmitted to the at least one propeller.
  • the provision of the thermosyphon in the shaft may cause the diameter of the shaft to be increased in order to meet necessary operating parameters of the marine propulsion system.
  • thermosyphon is particularly high when the wall of the recess is rough. This means that, in particular when introducing the recesses into the central and the at least one end section of the shaft, it is not necessary to rework the walls in a special way. Rather, it has been found that the efficiency of the thermosyphon is highest when no further processing steps of the recess occur after the introduction of the recess. As a result, in addition to a maximum increase in efficiency, the cost of producing the thermosyphon can be kept low.
  • the working medium is introduced into the recess under vacuum and permanently provided loss-free in the recess by providing sealing means.
  • a refrigerant in particular water, FC72, R124a, R600a, isobutane, etc., provided with an evaporation temperature of less than 100 ° C. in principle is suitable as the working medium of any refrigerant having an evaporation temperature which is lower than the heat generated by the rotor of the electric motor.
  • the electric motor is arranged in a nacelle, wherein the nacelle is mechanically connected to a hull of the watercraft, and in particular rotatable relative to the hull. This allows a much improved maneuverability for large seagoing vessels.
  • one of the end sections is provided at each of the two opposite ends of the shaft, on each of which a propeller is arranged. It is expedient here if the two propellers arranged on the shaft are designed in such a way that they are designed as propellers working in opposite directions with respect to the swirl effect.
  • each of the propellers is associated with an electric motor, wherein the electric motors act in particular on a common shaft. It can further be provided that functionally separate thermosyphons are provided in the common shaft, which are each associated with one of the electric motors. If the ship propulsion system has only one electric motor, but two propellers at opposite ends of the shaft, it may also be provided that functionally separate thermosyphons are provided in the common shaft.
  • Fig. 1 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a ship propulsion system 1 according to the invention.
  • the ship propulsion system 1 is designed as a so-called gondola or POD drive, in which an electric motor 6 connected to a shaft 7 is arranged inside a housing part 3 designed as a nacelle.
  • the electric motor 6 can be realized in principle any way.
  • the electric motor 6 may be formed as an asynchronous machine, as a synchronous machine or as a permanent magnet excited machine.
  • the nacelle 3 is connected via a gondola neck 5 to the hull of a ship (not shown).
  • Such a gondola or POD drive provides improved maneuverability, especially for large ships.
  • the mechanically connected to a rotor of the electric motor 6 shaft 7 occurs in the present embodiment at the two opposite ends of the nacelle 3 through respective passage openings 4a, 4b from the nacelle.
  • a propeller 2 is arranged, which are preferably designed as a counter-rotating propeller with respect to the twist action. Due to the oppositely arranged propellers 2 in the water 20 on the nacelle 3 of the ship propulsion is called Contrapod.
  • the ship's drive could be provided in an alternative embodiment, only with a single propeller 2, so that the shaft 7 emerges only at one point from the housing pod 3.
  • thermosyphon is formed in the shaft 7 to cool the rotor of the electric motor 6 and bearings 12, 13 for the axis 7.
  • the shaft 7 has a recess 8 which extends in the longitudinal direction (ie symmetrically to a rotation axis of the shaft 7).
  • the recess 8 is designed in such a way that it runs in a central section 9 of the shaft 7, which runs essentially in the interior of the nacelle 3 , is cylindrical and has a conical shape in the region of respective end portions 10. In this case, the central portion 9 and formed at the two opposite ends of the shaft 7 end portions 10 are firmly connected.
  • the ship's propellers 2 located in seawater 20 serve as a condenser for a working medium arranged in the interior of the recess 8.
  • the propellers 2 are respectively connected to the end portions 10 of the shaft.
  • the central portion 9 and the end portions 10 of the shaft 7 are connected to one another in such a way that the working medium introduced into the recess 8 under vacuum is permanently disposed without loss in the recess.
  • a refrigerant is provided in the recess 8, which has an evaporation temperature of preferably less than 100 ° C.
  • the refrigerant for example, water, R124a, R600a, FC72, isobutane and the like can be used.
  • thermosyphon arranged in the shaft 7 is formed, in which the propellers connected to the shaft 7 serve as a heat sink for the refrigerant of the thermosyphon.
  • temperatures of approximately 150 ° C. to 300 ° C. are reached in the vicinity of the rotor, as a result of which the coolant provided in the recess 8 begins to evaporate. Due to the substantially horizontal position of the shaft 7, the vaporized refrigerant is transported in the direction of the end portions 10 of the shaft 7 due to the rotation of the shaft 7.
  • the propellers 2 are in water, for example, 26 to 27 ° C, arranged and thus constitute a capacitor of the thermosyphon. Due to the lower temperature of the propellers 2 and the conical configuration of the recess 8 in the end portions 10 condenses the evaporated working fluid and is pressed due to the rotating shaft 7 to the wall of the conical recess of the end portion 10.
  • the condensed working medium Due to the conical shape of the recess 8 in the region of the end portions 10, the condensed working medium is pressed in the direction of the central portion 9, until it again reaches the area of the hot electric motor 6 and is vaporized there again. Due to its change in the state of matter, the working medium thus circulates between liquid and gaseous form in the recess 8 of the shaft 7. As a result, waste heat is carried away by the electric motor 6 and introduced into the water 20 via the ship's propellers 2. In contrast to conventional thermosyphons, the circulation of the working medium of the thermosyphon formed in the shaft 7 is not based on capillary forces but on the rotational forces occurring in the shaft 7 during operation.
  • the maximum torque transmittable from the shaft 7 is reduced compared to a solid shaft.
  • the diameter of the recess 8, in particular in the central portion 9, must therefore be dimensioned in relation to the diameter of the shaft 7 such that at least a predetermined torque can be transmitted to the propellers 2.
  • the recess 8 extends continuously between the stub shafts.
  • two functionally separate thermosyphon could be provided in the shaft 8 by two recesses 8 are provided with a respective central portion 9 and a respective end portion 10 in the shaft. It is expedient to make the spatial separation between the two recesses 8 approximately in the middle of the rotor 6 of the electric motor 6, so that in each case a sufficient heat input can be introduced into the recesses for evaporation of the respective working medium.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of another embodiment of a marine propulsion system according to the invention. This differs from the one in Fig. 1 shown example in that in the nacelle 3, two electric motors 6a, 6b are provided, which act on the same shaft 7.
  • the shaft 7 is mounted on bearings 12a, 13a and 12b, 13b of the electric motors 6a, 6b and exits at opposite passage openings 4a, 4b.
  • the ship propulsion is designed as a contrapod drive, in which at the opposite ends of the shaft 7 and thus the end portions 10a, 10b, two propellers 2a, 2b are arranged.
  • the ship propulsion is designed as a contrapod drive, in which at the opposite ends of the shaft 7 and thus the end portions 10a, 10b, two propellers 2a, 2b are arranged.
  • the embodiment of Fig. 1 the ship propulsion is designed as a contrapod drive, in which at the opposite ends of the shaft 7 and thus the end portions 10a, 10b, two propellers
  • thermosyphon two thermosyphon are provided, which are each associated with an electric motor 6a, 6b.
  • the thermosyphons are thermodynamically separated from one another.
  • Each thermosiphon thus has in each case a recess 8a or 8b, each with a central portion 9a or 9b and an adjoining end portion 10a and 10b, which has a conical shape.
  • the propellers 2a, 2b are connected to the shaft 7 in the region of the end portions 10a, 10b.
  • the arranged in the housing pod 3 electric motors 6a, 6b form a machine cascade comprising, for example, an asynchronous machine (electric motor 6a) and a rotatably mounted synchronous machine (electric motor 6b).
  • the rotor of the asynchronous motor 6a can be firmly connected to the propeller 2a and the armature of the synchronous machine, the rotor of the synchronous machine 6b carrying the pole system can be connected to the propeller 2b.
  • the partial drives 6a, 6b are coupled both electrically via the cascade connection of the windings and via the load of the ship's propellers.
  • Such an embodiment is disclosed in the publication " Modern Electric Ship Propulsion "by H. Mrugowsky, 10th Symposium Maritime Electronics, Rostock, 2001, Proceedings of the Working Group Energy and Control Technology, pages 63 to 66 , described.
  • a ship propulsion system according to the invention with two electric motors 6a, 6b could also be provided with a single thermosyphon.
  • the recess extends continuously between the opposite ends of the shaft 7.
  • the proposed principle for increasing the efficiency of the electric motor used in a marine propulsion system is maintenance-free and always applicable when the electric motor is directly connected to the propeller.
  • An expected increase in efficiency is in the range of 1 to 1.5%, which can save considerable costs for large drives.
  • the water, propeller results in a good heat dissipation.
  • bearing temperatures at all bearing points of the propeller drivetrain are evened out and reduced for better cooling of the rotor. This increases the life of these highly loaded wear parts.
  • a ship propulsion system according to the invention has the advantage that a reduced winding temperature is achieved, as a result of which less expensive casting resins can be used for the windings.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb für ein Wasserfahrzeug, das zumindest einen Schiffsschraube umfasst, mit der eine Antriebskraft für das Wasserfahrzeug erzeugbar ist. Der Antrieb der Schiffsschraube erfolgt über einen Elektromotor, dessen Rotor über eine Welle direkt mit der zumindest einen Schiffsschraube mechanisch gekoppelt ist, so dass durch eine Drehung des Rotors die zumindest eine Schiffsschraube in eine entsprechende Drehbewegung versetzbar ist.
  • Ein derartiger Schiffsantrieb ist z.B. aus der US 2004/0248479 A1 bekannt.
  • Unter einer direkten Verbindung des Elektromotors mit der Schiffsschraube, die auch als Propeller bezeichnet wird, ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine getriebelose Antriebstechnik zu verstehen. Die Änderung der Drehzahl der Schiffsschraube wird alleine durch die Veränderung der Motordrehzahl bewirkt. Eine derartige Realisierung weist den Vorteil auf, dass ein Getriebe zwischen Motor und Schiffsschraube nicht notwendig ist und die erforderlichen Antriebsmotoren für die Schiffsschraube nicht immer mit voller Drehzahl laufen müssen, wenn diese an der Schiffsschraube nicht benötigt wird. Zur Realisierung derartiger Schiffsantriebe sind effiziente und leistungsfähige Elektromotoren mit hoher Leistungsdichte notwendig. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die hohe Leistungsdichte des Antriebsmotors nicht durch einen schlechteren Wirkungsgrad oder eine geringere Haltbarkeit erkauft wird.
  • Aus der Veröffentlichung "Moderne elektrische Schiffsantriebe" von H. Mrugowsky, 10. Symposium Maritime Elektronik, Rostock, 2001, Tagungsband Arbeitskreis Energie- und Steuerungstechnik, Seiten 63 bis 66, ist ein Schiffsantrieb der oben beschriebenen Art bekannt. Der Schiffsantrieb ist als Gondel- oder POD-Antrieb ausgebildet. Ein derartiger Gondel- oder POD-Antrieb weist verbesserte Manövriereigenschaften für gro-βe Seeschiffe auf. Hierbei ist der Elektromotor zum Antreiben der Schiffsschraube in einer drehbar unter dem Heck des Schiffes angeordneten Gondel untergebracht, wobei der Elektromotor über flexible Zuleitungen oder Schleifringe gespeist wird. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei geringerer Kavitation und Geräuschbildung wird in der Veröffentlichung vorgeschlagen, zwei hintereinander angeordnete und bezüglich der Drallwirkung gegenläufig arbeitende Propeller an der Gondel vorzusehen. In einer Variante treibt ein in der Gondel untergebrachter permanenterregter Synchronmotor die zwei Schiffsschrauben mit gegenläufiger Steigung an. In einer anderen Variante wird zur optimalen Auslegung der hintereinander liegenden Schiffsschrauben vorgeschlagen, in der Gondel eine Maschinenkaskade aus einer Asynchron- und einer drehbar gelagerten Synchronmaschine vorzusehen. Der Rotor des Asynchronmotors ist dabei fest mit der hinteren Schiffsschraube und dem Anker der Synchronmaschine, der das Polsystem tragende Rotor der Synchronmaschine dagegen mit der vorderen Schiffsschraube verbunden. Dies ist schematisch in Bild 3 der Veröffentlichung dargestellt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schiffsantrieb anzugeben, bei dem Elektromotoren mit großer Leistungsdichte eingesetzt werden können, welche einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Haltbarkeit aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schiffsantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben.
  • Ein erfindungsgemäßer Schiffsantrieb für ein Wasserfahrzeug umfasst zumindest eine Schiffsschraube, mit der eine Antriebskraft für das Wasserfahrzeug erzeugbar ist. Der Schiffsantrieb umfasst weiter einen Elektromotor, dessen Rotor über eine Welle direkt mit der zumindest einen Schiffsschraube mechanisch gekoppelt ist, so dass durch eine Drehung des Rotors die zumindest eine Schiffsschraube in eine entsprechende Drehbewegung versetzbar ist. Der Schiffsantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass zur Kühlung des Rotors des Elektromotors ein in der Welle angeordneter Thermosiphon vorgesehen ist, wobei die Schiffsschraube als Wärmesenke für ein Arbeitsmedium des Thermosiphon dient.
  • Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass bei Elektromotoren eine Abkühlung des Rotors zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads führt. Bei dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb wird die Kühlung des Elektromotors durch einen Thermosiphon in der Rotorwelle bewirkt. Durch die Kühlung der Welle wird auch der Rotor des Elektromotors gekühlt, wodurch sich die erwünschte Wirkungsgraderhöhung des Antriebs ergibt. Die von dem Rotor abgeführte Wärme wird über den Thermosiphon an die im Wasser gelegene Schiffsschraube abgegeben, so dass die Schiffsschraube als Kondensator dient bzw. ausgelegt ist.
  • Die zur Kühlung des Elektromotors notwendigen Komponenten sind wartungsfrei und immer dort einsetzbar, wo bei einem Schiffsantrieb ein Elektromotor direkt mit einer Schiffsschraube bzw. einem Propeller verbunden ist. Dies ist in der Regel bei den eingangs bereits erwähnten POD-Antriebskonzepten, U-Boot-Antrieben usw. der Fall. Aufgrund der in ihrem Kühlmedium angeordneten Schiffsschraube ergibt sich eine hervorragende Wärmeabfuhr. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil einer reduzierten Wicklungstemperatur, so dass für die Wicklungen auch kostengünstigere Gießharze mit einer geringeren Temperaturklasse eingesetzt werden können. Hierdurch können die Kosten des Schiffsantriebs verringert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Ausbildung des Thermosiphons in der Welle eine sich in Längsrichtung erstreckende Ausnehmung vorgesehen, in welcher das Arbeitsmedium aufgrund einer Änderung des Aggregatzustands zwischen flüssig und gasförmig zirkulieren kann. Es ist hierbei zweckmäßig, wenn sich die Ausnehmung über die gesamte Breite des Rotors des Elektromotors erstreckt, damit ein möglichst guter Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium in dem Thermosiphon erfolgen kann. Darüber hinaus ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Ausnehmung im Bereich von Lagerstellen des Elektromotors ausgebildet ist. Zusätzlich zur Abkühlung des Rotors werden auch Lagertemperaturen an den Lagerstellen des Antriebsstrangs vergleichmäßigt und verringert, wodurch sich die Lebensdauer dieser hochbelasteten Verschleißteile erhöht.
  • In einer Ausgestaltung weist die Welle einen Zentralabschnitt und zumindest einen Endabschnitt auf, der mit dem Zentralabschnitt fest verbunden ist und an welchem die zumindest eine Schiffsschraube befestigt ist, wobei die Ausnehmung in dem Zentralabschnitt zylindrisch und die Ausnehmung in dem zumindest einen Endabschnitt konisch ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Zirkulation des im Betrieb des Schiffsantriebs verschiedene Aggregatzustände aufweisenden Arbeitsmediums sichergestellt. Die Zirkulation des Arbeitsmediums in der Ausnehmung wird im Gegensatz zu herkömmlichen Thermosiphons nicht durch Kapillarkräfte, sondern durch Rotationskräfte ermöglicht. Hierzu ist die konische Gestalt der Ausnehmung in dem zumindest einen Endabschnitt der Welle notwendig, um kondensiertes Arbeitsmedium zurück in Richtung des Rotors des Elektromotors zu pressen.
  • Eine konkrete Ausgestaltung sieht vor, dass der Elektromotor und zumindest ein Teil eines Zentralabschnitts der Welle fluiddicht in einem Gehäuseteil, insbesondere einer Gehäusegondel, angeordnet sind, wobei der zumindest eine Endabschnitt außerhalb des Gehäuseteils ausgebildet ist. Es versteht sich, dass in dem Bereich, in dem die Welle das Gehäuseteil durchtritt, entsprechende Dichtmittel vorgesehen sind, um das Eindringen von Wasser in das Innere des Gehäuseteils, in dem elektrische Komponenten vorgesehen sind, zu verhindern.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist in der konischen Ausnehmung des zumindest einen Endabschnitts eine Vorrichtung mit sich von einer Zentralnabe radial erstreckenden Speichen vorgesehen, um die Bildung eines Kondensatfilms des Arbeitsmediums an der konischen Wandung des Endabschnitts zu verbessern. Die Vorrichtung ist bevorzugt in der konischen Ausnehmung angeordnet und bezweckt eine verbesserte Zirkulation des Arbeitsmediums in dem Thermosiphon.
  • Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Durchmesser der Ausnehmung, insbesondere in dem Zentralabschnitt, im Verhältnis zu dem Durchmesser der Welle derart ist, dass mindestens ein vorgegebenes Drehmoment an die zumindest eine Schiffsschraube übertragen werden kann. Durch das Vorsehen einer Ausnehmung in der Welle wird das von dem Elektromotor auf das Flügelrad übertragbare Drehmoment verringert. Bei der konstruktiven Ausgestaltung des Thermosiphons ist deshalb darauf zu achten, dass ein mindestens notwendiges Drehmoment von der Welle noch an die zumindest eine Schiffsschraube übertragen werden kann. Gegebenenfalls kann das Vorsehen des Thermosiphons in der Welle dazu führen, dass der Durchmesser der Welle erhöht werden muss, um notwendige Betriebsparameter des Schiffsantriebs erfüllen zu können.
  • Es hat sich ferner gezeigt, dass die Effizienz des Thermosiphons dann besonders hoch ist, wenn die Wandung der Ausnehmung rau ist. Dies bedeutet, es ist insbesondere beim Einbringen der Ausnehmungen in den Zentral- und den zumindest einen Endabschnitt der Welle nicht notwendig, die Wandungen in besonderer Weise nachzuarbeiten. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die Effizienz des Thermosiphons dann am höchsten ist, wenn nach dem Einbringen der Ausnehmung keine weiteren Bearbeitungsschritte der Ausnehmung erfolgen. Hierdurch lassen sich neben einer maximalen Erhöhung des Wirkungsgrades die Kosten für die Herstellung des Thermosiphons gering halten.
  • Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn das Arbeitsmedium in die Ausnehmung unter Vakuum eingebracht und durch Vorsehen von Dichtmitteln dauerhaft verlustfrei in der Ausnehmung angeordnet ist. Als Arbeitsmedium ist ein Kältemittel, insbesondere Wasser, FC72, R124a, R600a, Isobutan usw., mit einer Verdampfungstemperatur von weniger als 100 °C vorgesehen. Prinzipiell eignet sich als Arbeitsmedium jedes Kältemittel, das eine Verdampfungstemperatur aufweist, welche geringer ist als die von dem Rotor des Elektromotors erzeugte Wärme.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Elektromotor in einer Gondel angeordnet, wobei die Gondel mit einem Rumpf des Wasserfahrzeugs mechanisch, und insbesondere gegenüber dem Rumpf verdrehbar, verbunden ist. Hierdurch lässt sich eine wesentlich verbesserte Manövriereigenschaft für große Seeschiffe erzielen.
  • Um einen weiter verbesserten Wirkungsgrad bei geringerer Gravitation und Geräuschbildung zu erzielen, ist an den zwei gegenüberliegenden Enden der Welle jeweils einer der Endabschnitte vorgesehen, an denen jeweils eine Schiffsschraube angeordnet ist. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die beiden an der Welle angeordneten Schiffsschrauben derart ausgestaltet sind, dass diese als bezüglich der Drallwirkung gegenläufig arbeitende Propeller ausgebildet sind.
  • In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist jeder der Schiffsschrauben ein Elektromotor zugeordnet, wobei die Elektromotoren insbesondere auf eine gemeinsame Welle einwirken. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass in der gemeinsamen Welle funktional voneinander getrennte Thermosiphons vorgesehen sind, die jeweils einem der Elektromotoren zugeordnet sind. Weist der Schiffsantrieb nur einen Elektromotor, jedoch zwei Schiffsschrauben an gegenüberliegenden Enden der Welle auf, so kann ebenfalls vorgesehen sein, dass in der gemeinsamen Welle funktional voneinander getrennte Thermosiphons vorgesehen sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebs mit einem Elektromotor, und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebs, bei dem zwei Elektromotoren zum Antrieb zweier Schiffsschrauben vorgesehen sind.
  • Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebs 1. Der Schiffsantrieb 1 ist als sog. Gondel- oder POD-Antrieb ausgebildet, bei dem ein mit einer Welle 7 verbundener Elektromotor 6 im Inneren eines als Gondel ausgebildeten Gehäuseteils 3 angeordnet ist. Der Elektromotor 6 kann auf prinzipiell beliebige Art und Weise realisiert sein. Insbesondere kann der Elektromotor 6 als Asynchronmaschine, als Synchronmaschine oder als Permanentmagnet erregte Maschine ausgebildet sein. Die Gondel 3 ist über einen Gondelhals 5 mit dem Rumpf eines Schiffes (nicht dargestellt) verbunden. Ein derartiger Gondel- oder POD-Antrieb ermöglicht verbesserte Manövriereigenschaften, insbesondere für große Schiffe.
  • Die mit einem Rotor des Elektromotors 6 mechanisch verbundene Welle 7 tritt im vorliegenden Ausführungsbeispiel an den beiden gegenüberliegenden Enden der Gondel 3 durch jeweilige Durchtrittsöffnungen 4a, 4b aus der Gondel aus. An den Wellenstümpfen ist jeweils eine Schiffsschraube 2 angeordnet, wobei diese bevorzugt als bezüglich der Drallwirkung gegenläufig arbeitende Propeller ausgebildet sind. Aufgrund der gegenüberliegend angeordneten Schiffsschrauben 2 im Wasser 20 an der Gondel 3 wird der Schiffsantrieb als Contrapod bezeichnet.
  • Entgegen der in Fig. 1 dargestellten Zeichnung könnte der Schiffsantrieb in einer alternativen Ausgestaltung auch lediglich mit einer einzigen Schiffsschraube 2 versehen sein, so dass die Welle 7 nur an einer Stelle aus der Gehäusegondel 3 austritt.
  • Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Elektromotors 6 ist in der Welle 7 ein Thermosiphon ausgebildet, um den Rotor des Elektromotors 6 sowie Lagerstellen 12, 13 für die Achse 7 zu kühlen. Hierzu verfügt die Welle 7 über eine sich in Längsrichtung erstreckende (d.h. symmetrisch zu einer Rotationsachse der Welle 7) Ausnehmung 8. Die Ausnehmung 8 ist derart ausgestaltet, dass diese in einem Zentralabschnitt 9 der Welle 7, welche im Wesentlichen im Inneren der Gondel 3 verläuft, zylindrisch ausgebildet ist und im Bereich jeweiliger Endabschnitte 10 eine konische Gestalt aufweist. Dabei sind der Zentralabschnitt 9 und die an den beiden gegenüberliegenden Enden der Welle 7 ausgebildeten Endabschnitte 10 fest miteinander verbunden. Die in Seewasser 20 befindlichen Schiffsschrauben 2 dienen als Kondensator für ein im Inneren der Ausnehmung 8 angeordnetes Arbeitsmedium. Um ein Zirkulieren des Arbeitsmediums aufgrund einer Änderung seines Aggregatzustands zwischen flüssig und gasförmig sicherstellen zu können, sind die Schiffsschrauben 2 jeweils mit den Endabschnitten 10 der Welle verbunden.
  • Der Zentralabschnitt 9 sowie die Endabschnitte 10 der Welle 7 sind derart miteinander verbunden, dass das in die Ausnehmung 8 unter Vakuum eingebrachte Arbeitsmedium dauerhaft verlustfrei in der Ausnehmung angeordnet ist. Als Arbeitsmedium ist in der Ausnehmung 8 ein Kältemittel vorgesehen, welches eine Verdampfungstemperatur von bevorzugt weniger als 100 °C aufweist. Als Kältemittel kann beispielsweise Wasser, R124a, R600a, FC72, Isobutan und dergleichen, verwendet werden.
  • Durch das Vorsehen der Ausnehmung 8 in der Welle 7 mit der beschriebenen Form in dem Zentralabschnitt 9 und den Endabschnitten 10 sowie dem Einbringen des Kältemittels in die Ausnehmung 8 ist ein in der Welle 7 angeordneter Thermosiphon gebildet, bei dem die mit der Welle 7 verbundenen Schiffsschrauben als Wärmesenke für das Kältemittel des Thermosiphons dienen. Beim Betrieb des Elektromotors werden in der Nähe des Rotors Temperaturen von ca. 150 °C bis 300 °C erreicht, wodurch das in der Ausnehmung 8 vorgesehene Kältemittel zu verdampfen beginnt. Aufgrund der im Wesentlichen waagerechten Lage der Welle 7 wird das verdampfte Kältemittel in Richtung der Endabschnitte 10 der Welle 7 aufgrund der Rotation der Welle 7 transportiert. Die Schiffsschrauben 2 sind in Wasser, das beispielsweise 26 bis 27 °C aufweist, angeordnet und stellen damit einen Kondensator des Thermosiphons dar. Aufgrund der geringeren Temperatur der Schiffsschrauben 2 sowie der konischen Ausgestaltung der Ausnehmung 8 im Bereich der Endabschnitte 10 kondensiert das verdampfte Arbeitsmittel und wird aufgrund der rotierenden Welle 7 an die Wandung der konischen Ausnehmung des Endabschnitts 10 gedrückt.
  • Durch die konische Gestalt der Ausnehmung 8 im Bereich der Endabschnitte 10 wird das kondensierte Arbeitsmedium in Richtung des Zentralabschnitts 9 gedrückt, bis es wiederum in den Bereich des heißen Elektromotors 6 gelangt und dort von neuem verdampft wird. Das Arbeitsmedium zirkuliert aufgrund seiner Änderung des Aggregatzustands somit zwischen flüssiger und gasförmiger Form in der Ausnehmung 8 der Welle 7. Hierdurch wird Abwärme von dem Elektromotor 6 abtransportiert und über die Schiffsschrauben 2 in das Wasser 20 eingetragen. Die Zirkulation des Arbeitsmediums des in der Welle 7 ausgebildeten Thermosiphons basiert dabei im Gegensatz zu herkömmlichen Thermosiphons nicht auf Kapillarkräften, sondern auf den während des Betriebs auftretenden Rotationskräften in der Welle 7.
  • Im Ergebnis wird hierdurch eine Kühlung des Rotors des Elektromotors 6 sowie der Lagerstellen 12, 13 der Welle 7 im Bereich des Elektromotors bewirkt. Hierdurch ergibt sich einerseits eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Elektromotors 6. Andererseits werden die Lagertemperaturen an den Lagerstellen 12, 13 des Antriebsstrangs vergleichmäßigt und verringert, wodurch die Lebensdauer dieser hochbelasteten Verschleißteile erhöht wird.
  • Durch das Einbringen der Ausnehmung 8 in die Welle 7 ist das maximal von der Welle 7 übertragbare Drehmoment gegenüber einer Vollwelle verringert. Der Durchmesser der Ausnehmung 8, insbesondere in dem Zentralabschnitt 9, muss deshalb im Verhältnis zum Durchmesser der Welle 7 derart bemessen sein, dass mindestens ein vorgegebenes Drehmoment an die Schiffsschrauben 2 übertragen werden kann.
  • Bei der Herstellung der Ausnehmung 8 in der Welle ist es nicht notwendig, die Oberfläche der Wandung der Ausnehmung nachzuarbeiten. Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass die Effizienz des Thermosiphons umso größer ist, je rauer die Wandung der Ausnehmung ist. Es ist jedoch zweckmäßig, gegebenenfalls zur Herstellung der Ausnehmung 8 in diese eingebrachte Schmierstoffe zu entfernen, da diesen den Aggregatszustand des Arbeitsmediums nachteilig beeinflussen können.
  • In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 8 durchgängig zwischen den Wellenstümpfen. In einer alternativen Ausgestaltung könnten in der Welle 8 auch zwei funktional voneinander getrennte Thermosiphons vorgesehen sein, indem in der Welle 7 zwei Ausnehmungen 8 mit einem jeweiligen Zentralabschnitt 9 und einem jeweiligen Endabschnitt 10 vorgesehen werden. Es ist hierbei zweckmäßig, die räumliche Trennung zwischen den beiden Ausnehmungen 8 in etwa mittig des Rotors 6 des Elektromotors 6 vorzunehmen, so dass jeweils ein ausreichender Wärmeeintrag in die Ausnehmungen zur Verdampfung des jeweiligen Arbeitsmediums eingebracht werden kann.
  • Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebs. Dieser unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel dadurch, dass in der Gondel 3 zwei Elektromotoren 6a, 6b vorgesehen sind, die auf die gleiche Welle 7 einwirken. Die Welle 7 ist an Lagerstellen 12a, 13a sowie 12b, 13b der Elektromotoren 6a, 6b gelagert und tritt an gegenüberliegenden Durchtrittsöffnungen 4a, 4b aus. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist der Schiffsantrieb als Contrapod-Antrieb ausgebildet, bei dem an den gegenüberliegenden Enden der Welle 7 und damit deren Endabschnitte 10a, 10b zwei Schiffsschrauben 2a, 2b angeordnet sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Thermosiphons vorgesehen, welche jeweils einem Elektromotor 6a, 6b zugeordnet sind. Die Thermosiphons sind thermodynamisch voneinander getrennt ausbildet. Jeder Thermosiphon weist somit jeweils eine Ausnehmung 8a bzw. 8b mit jeweils einem Zentralabschnitt 9a bzw. 9b und einem sich daran anschließenden Endabschnitt 10a bzw. 10b auf, der eine konische Gestalt hat. Wie vorstehend beschrieben, sind die Schiffsschrauben 2a, 2b mit der Welle 7 im Bereich der Endabschnitte 10a, 10b verbunden.
  • Die in der Gehäusegondel 3 angeordneten Elektromotoren 6a, 6b können beispielsweise eine Maschinenkaskade ausbilden, welche beispielsweise eine Asynchronmaschine (Elektromotor 6a) und eine drehbar gelagerte Synchronmaschine (Elektromotor 6b) umfassen. Der Rotor des Asynchronmotors 6a kann hierbei fest mit der Schiffsschraube 2a und dem Anker der Synchronmaschine, der das Polsystem tragende Rotor der Synchronmaschine 6b mit der Schiffsschraube 2b verbunden sein. Die Teilantriebe 6a, 6b sind dabei sowohl elektrisch über die Kaskadenschaltung der Wicklungen als auch über die Belastung der Schiffsschrauben gekoppelt. Eine derartige Ausgestaltung ist in der Veröffentlichung "Moderne elektrische Schiffsantriebe" von H. Mrugowsky, 10. Symposium Maritime Elektronik, Rostock, 2001, Tagungsband Arbeitskreis Energie- und Steuerungstechnik, Seiten 63 bis 66, beschrieben.
  • Entgegen der in Fig. 2 gezeigten Darstellung könnte ein erfindungsgemäßer Schiffsantrieb mit zwei Elektromotoren 6a, 6b auch mit einem einzigen Thermosiphon versehen sein. In diesem Fall erstreckt sich die Ausnehmung zwischen den gegenüberliegenden Enden der Welle 7 durchgängig.
  • Das vorgeschlagene Prinzip zur Erhöhung des Wirkungsgrades des in einem Schiffsantrieb eingesetzten Elektromotors ist wartungsfrei und immer dann anwendbar, wenn der Elektromotor direkt mit der Schiffsschraube verbunden ist. Eine zu erwartende Effizienzsteigerung liegt im Bereich von 1 bis 1,5 %, wodurch bei großen Antrieben erhebliche Kosten eingespart werden können. Durch die in ihrem Kühlmedium, dem Wasser, liegende Schiffsschraube ergibt sich eine gute Wärmeabfuhr. Zusätzlich werden zur besseren Abkühlung des Rotors auch Lagertemperaturen an allen Lagerstellen des Propellerantriebsstrangs vergleichmäßigt und verringert. Dies erhöht die Lebensdauer dieser hochbelasteten Verschleißteile. Darüber hinaus weist ein erfindungsgemäßer Schiffsantrieb den Vorteil auf, dass eine reduzierte Wicklungstemperatur erreicht wird, wodurch kostengünstigere Gießharze für die Wicklungen verwendet werden können.

Claims (16)

  1. Schiffsantrieb (1) für ein Wasserfahrzeug, umfassend
    - zumindest eine Schiffsschraube (2; 2a, 2b), mit der eine Antriebskraft für das Wasserfahrzeug erzeugbar ist;
    - einen Elektromotor (6; 6a, 6b), dessen Rotor über eine Welle (7) direkt mit der zumindest einen Schiffsschraube (2; 2a, 2b) mechanisch gekoppelt ist, so dass durch eine Drehung des Rotors die zumindest eine Schiffsschraube (2; 2a, 2b) in eine entsprechende Drehbewegung versetzbar ist;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zur Kühlung des Rotors des Elektromotors (6; 6a, 6b) ein in der Welle (7) angeordneter Thermosiphon vorgesehen ist, wobei die Schiffsschraube (2; 2a, 2b) als Wärmesenke für ein Arbeitsmedium des Thermosiphon dient.
  2. Schiffsantrieb nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Ausbildung des Thermosiphons in der Welle (7) eine sich in Längsrichtung erstreckende Ausnehmung (8; 8a, 8b) vorgesehen ist, in welcher das Arbeitsmedium aufgrund einer Änderung des Aggregatszustands zwischen flüssig und gasförmig zirkulieren kann.
  3. Schiffsantrieb nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausnehmung (8; 8a, 8b) sich über die gesamte Breite des Rotors des Elektromotors (6; 6a, 6b) erstreckt.
  4. Schiffsantrieb nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausnehmung (8; 8a, 8b) im Bereich von Lagerstellen (12, 13; 12a, 13a, 12b, 13b) des Elektromotors (6; 6a, 6b) ausgebildet ist.
  5. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Welle (7) einen Zentralabschnitt (9; 9a, 9b) und zumindest einen Endabschnitt (10; 10a, 10b) aufweist, der mit dem Zentralabschnitt (9; 9a, 9b) fest verbunden ist und an welchem die zumindest eine Schiffsschraube (2; 2a, 2b) befestigt ist, wobei die Ausnehmung (8; 8a, 8b) in dem Zentralabschnitt (9; 9a, 9b) zylindrisch und die Ausnehmung (8; 8a, 8b) in dem zumindest einen Endabschnitt (10; 10a, 10b) konisch ausgebildet ist.
  6. Schiffsantrieb nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Elektromotor (6; 6a, 6b) und zumindest ein Teil eines Zentralabschnitts (9; 9a, 9b) der Welle (7) fluiddicht in einem Gehäuseteil (3), insbesondere einer Gehäusegondel, angeordnet sind, wobei der zumindest eine Endabschnitt (10; 10a, 10b) außerhalb des Gehäuseteils (3) ausgebildet ist.
  7. Schiffsantrieb nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der konischen Ausnehmung (8; 8a, 8b) des zumindest einen Endabschnitts (10; 10a, 10b) eine Vorrichtung mit sich von einer Zentralnabe radial erstreckenden Speichen vorgesehen ist, um die Bildung eines Kondensatfilms des Arbeitsmediums an der konischen Wandung des Endabschnitts (10; 10a, 10b) zu verbessern.
  8. Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Durchmesser der Ausnehmung (8; 8a, 8b), insbesondere in dem Zentralabschnitt (9; 9a, 9b), im Verhältnis zu dem Durchmesser der Welle (7) derart ist, dass mindestens ein vorgegebenes Drehmoment an die zumindest eine Schiffsschraube (2; 2a, 2b) übertragen werden kann.
  9. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wandung der Ausnehmung (8; 8a, 8b) rau ist.
  10. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Arbeitsmedium in die Ausnehmung (8; 8a, 8b) unter Vakuum eingebracht und durch Vorsehen von Dichtmitteln dauerhaft verlustfrei in der Ausnehmung (8; 8a, 8b) angeordnet ist.
  11. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Arbeitsmedium ein Kältemittel, insbesondere Wasser, FC72, R124a, R600a, Isobutan, mit einer Verdampfungstemperatur von weniger als 100°C vorgesehen ist.
  12. Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Elektromotor (6; 6a, 6b) in einer Gondel angeordnet ist, wobei die Gondel mit einem Rumpf des Wasserfahrzeugs mechanisch, und insbesondere gegenüber dem Rumpf verdrehbar, verbunden ist.
  13. Schiffsantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den zwei gegenüberliegenden Enden der Welle (7) jeweils einer der Endabschnitte (10; 10a, 10b) vorgesehen ist, an denen jeweils eine Schiffsschraube (2; 2a, 2b) angeordnet ist.
  14. Schiffsantrieb nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden an der Welle (7) angeordneten Schiffsschrauben (2; 2a, 2b) derart ausgestaltet sind, dass diese als bezüglich der Drallwirkung gegenläufig arbeitende Propeller ausgebildet sind.
  15. Schiffsantrieb nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jeder der Schiffsschrauben (2a, 2b) ein Elektromotor (6a, 6b) zugeordnet ist, wobei die Elektromotoren (6a, 6b) insbesondere auf eine gemeinsame Welle (7) einwirken.
  16. Schiffsantrieb nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der gemeinsamen Welle (7) funktional voneinander getrennte Thermosiphons vorgesehen sind, die jeweils einem der Elektromotoren (6; 6a, 6b) zugeordnet sind.
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