EP2948366A1 - Schiffsantriebsanordnung - Google Patents

Schiffsantriebsanordnung

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EP2948366A1
EP2948366A1 EP13805885.4A EP13805885A EP2948366A1 EP 2948366 A1 EP2948366 A1 EP 2948366A1 EP 13805885 A EP13805885 A EP 13805885A EP 2948366 A1 EP2948366 A1 EP 2948366A1
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EP
European Patent Office
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stator
shaft
bearing
rotor
nozzle body
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EP2948366B1 (de
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Dirk JÜRGENS
David Bendl
Michael Palm
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/14—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers characterised by being mounted in non-rotating ducts or rings, e.g. adjustable for steering purpose
    • 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
    • B63H23/32—Other parts
    • B63H23/321—Bearings or seals specially adapted for propeller shafts
    • 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
    • B63H23/32—Other parts
    • B63H23/321—Bearings or seals specially adapted for propeller shafts
    • B63H23/326—Water lubricated bearings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/14—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers characterised by being mounted in non-rotating ducts or rings, e.g. adjustable for steering purpose
    • B63H5/15—Nozzles, e.g. Kort-type

Definitions

  • the invention relates to a ship with a drive.
  • the drive comprises an engine and a propulsion device.
  • the Propulsionsorgan consists of three main components: rotor, stator, nozzle.
  • the nozzle encloses the rotor and the stator, which follows in the flow direction. Due to the
  • Delay characteristic of the nozzle in the region of the rotor increases the pressure level and thus allows a higher power density while avoiding cavitation.
  • the subsequent connection of the stator leads to a Entdrallung the flow and thus to increase the generated thrust at the same input power.
  • a prime mover is any type of engine into consideration, such as a diesel engine or a gas turbine and an electric motor.
  • the drive is intended for fast ships with a maximum speed in the range of 25 to 40 knots, such as mega-yachts or patrol boats. In this area it comes with conventional
  • Screw propellers to loss of efficiency in the course of cavitation. Water jets also show low efficiencies in this area, as they are high
  • WO 2012/052155 AI describes a ship with a drive, comprising a drive machine and a Propulsionsorgan consisting of three
  • Main components rotor, stator, nozzle.
  • the nozzle encloses the rotor and the stator, which follows in the flow direction, further comprises a shaft which carries the rotor and is connected to this rotationally and shear-resistant.
  • the nozzle body is divided into a front and a rear nozzle part.
  • the seen in the direction of travel front nozzle part is attached to the hull.
  • the rear nozzle part seen in the direction of travel is releasably attached to the hull. Both during initial assembly of the ship's shaft with the rotor sitting thereon and during maintenance and commissioning, the rear nozzle part must be pushed together with the bearing supported by this from the rear to the shaft.
  • the stator (stator blades) and stator hub existing stator must be placed in a position that in the
  • Stator hub located stator bearing with the shaft aligned. This is an elaborate, difficult and time-consuming maneuver.
  • the invention has for its object to design a ship according to the preamble of claim 1 such that assembly and disassembly of shaft and stator can be performed quickly and easily. This object is achieved by means of the features of claim 1.
  • stator, stator hub with integrated bearings and the one-piece nozzle body form a single preassembled unit;
  • the unit is mountable directly or indirectly at the rear and
  • the shaft is movable relative to the unit in the direction of the longitudinal axis of the shaft.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the hull of a ship.
  • Figure 2 shows a longitudinal section through the rear of the ship. shows a rear view of the ship. From Figure 1 shows the basic structure of a ship. Im in
  • Driving direction seen rear bow area is an engine 1
  • the prime mover 1 can be arranged in the stern area or in the bow area of the ship or in the middle of the ship.
  • a gas turbine or an electric motor can be used as well.
  • Other drives are conceivable.
  • the gear 1.1 is a shaft 2 in
  • the shaft 2 may consist of several individual waves which are in driving connection with each other via couplings.
  • the predominantly horizontal shaft 2 breaks through the ship's skin and emerges from the hull, so that it runs under water in the rear. In this case, the shaft 2 already behind the
  • Such additional support is a storage 3, namely a so-called Steven raw rlager 3.
  • Steven roh rlager 3 is firmly connected to the ship's hull.
  • a rotor 5 which is rotatably and shear-resistant connected to the shaft 2.
  • a stator 6 As seen in the direction of travel behind the rotor 5 is a stator 6. This includes a number of vanes 6.1 and a stator hub 6.2. Rotor 5 and stator 6 are enclosed by a nozzle body 7. This one piece. It is firmly connected to the stator via its guide vanes 6.1.
  • a console 6.3 In the upper region of the nozzle body 7 is a console 6.3. This is on the one hand firmly connected to the nozzle body 7, and on the other hand, it is firmly connected to the stern of the ship and indeed in a detachable manner.
  • stator 6 with its guide vanes 6.1, the stator bearing 6.2, the nozzle body 7 and the console 6.3.
  • This unit can be pre-assembled and mounted in the assembled state at the rear.
  • shaft 2 and the unit can be joined together and
  • the assembly can be mounted first at the rear, by mounting the console 6.3.
  • the design according to the invention is particularly advantageous during assembly, since the assembly can be aligned by means of fewer screws 6.4 at the rear. This ensures that all bearing points of the shaft 2 are aligned. Is the
  • the shaft 2 is mounted in the region of the drive machine 1 by a thrust bearing 8.
  • Figure 2 shows the rear of the ship. It can be seen again the shaft 2. Their discharging free end 2.1 is taken from the bearing bush 6.5 of the stator hub 6.2. The outer edges 5.1 of the rotor 5 are located close to the inner surface of the nozzle body 7. The vanes 6.1 are firmly connected to the inner wall of the nozzle body 7.
  • Assembly and disassembly of the rotor can proceed as follows: By moving the shaft 2 in the direction of the bow, the rotor is positioned outside the nozzle. In this position, it is held in the vertical direction. By means of a corresponding device, the rotational and shear-resistant connection of the rotor 5 and shaft 2 is released. The wave can now continue towards the bow
  • the assembly is carried out opposite to the described procedure.
  • the stator hub 6.2 has a bearing bush 6.5 made of suitable material. Between the bearing bush 6.5 and the mantled surface of the shaft end 2.4 there is a bearing gap, not shown here.
  • Rotor 5 generates a water flow in a known manner.
  • the water flow which flows over the gap between the rotor 5 and the stator hub 6.2 induces a negative pressure.
  • This negative pressure in turn generates a flow through the bearing gap in the opposite direction (internal flow) in the direction of travel. This achieves perfect lubrication and cooling.

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schiff, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile: einen Schiffsrumpf, umfassend einen Bug und ein Heck einen im Heckbereich angeordneten Rotor (5); einem dem Rotor zugeordneten Stator (6), umfassend eine Anzahl von Leitschaufeln (6.1); einen einteiligen Düsenkörper (7); der Düsenkörper umschließt den Rotor und den Stator; einen im Bugbereich angeordneten Antriebsmaschine (1); eine Welle (2) zum Übertragen von Drehmoment vom Antrieb zum Rotor; die Welle ist gelagert in einen aus dem Stator gebildeten Statorlager (6.5), einen im Bereich des Antriebs angeordneten Schublager (8). Gemäß der Erfindung umfasst das Schiff die folgenden weiteren Merkmale: Stator, Statorlager und Düsenkörper bilden eine einzige vormontierbare Baueinheit; die Baueinheit ist mittelbar oder unmittelbar am Heck montierbar und demontierbar; die Baueinheit und die Welle sind relativ zueinander in Richtung der Längsachse der Welle verschiebbar.

Description

SCHIFFSANTRIEBSANORDNUNG
Die Erfindung betrifft ein Schiff mit einem Antrieb. Der Antrieb umfasst eine Antriebsmaschine und ein Propulsionsorgan. Das Propulsionsorgan besteht aus drei Hauptkomponenten: Rotor, Stator, Düse. Die Düse ummantelt den Rotor und den Stator, der in Strömungsrichtung folgt. Auf Grund der
Verzögerungscharakteristik der Düse im Bereich des Rotors wird das Druckniveau angehoben und ermöglicht somit eine höhere Leistungsdichte bei Vermeidung von Kavitation. Die Nachschaltung des Stator führt zu einer Entdrallung der Strömung und damit zur Erhöhung des generierten Schubs bei gleicher Eingangsleistung.
Als Antriebsmaschine kommt dabei jede Art von Kraftmaschine in Betracht, beispielsweise ein Dieselmotor oder eine Gasturbine sowie ein Elektromotor. Der Antrieb ist für schnelle Schiffe mit einer maximalen Geschwindigkeit im Bereich von 25 bis 40 kn vorgesehen, wie beispielsweise Mega-Yachten oder Patrouillenboote. In diesem Bereich kommt es bei konventionellen
Schraubenpropeller zu Wirkungsgradeinbußen im Zuge von Kavitation. Water Jets zeigen in diesem Bereich auch noch geringe Wirkungsgrade, da sie hohe
Einlasskanalverluste haben.
WO 2012/052155 AI beschreibt ein Schiff mit einem Antrieb, umfassend eine Antriebsmaschine und ein Propulsionsorgan bestehend aus drei
Hauptkomponenten: Rotor, Stator, Düse. Die Düse ummantelt den Rotor und den Stator, der in Strömungsrichtung folgt, ferner eine Welle, die den Rotor trägt und mit diesem dreh- und schubfest verbunden ist. Dabei ist der Düsenkörper in ein vorderes und ein hinteres Düsenteil unterteilt.
Das in Fahrtrichtung gesehen vordere Düsenteil ist am Schiffsrumpf befestigt. Das in Fahrtrichtung gesehen hintere Düsenteil ist am Schiffsrumpf lösbar befestigt. Sowohl bei der Erstmontage der Schiffswelle mit dem darauf sitzenden Rotor als auch bei Wartung und Inbetriebnahme muss das hintere Düsenteil zusammen mit dem von diesem getragenen Lager vom Heck her auf die Welle aufgeschoben werden. Hier muss der aus Leitschaufeln (Statorschaufeln) und Statornabe bestehende Stator in eine Position gebracht werden, dass das sich in der
Statornabe befindende Statorlager mit der Welle fluchtet. Dies ist ein aufwändiges, schwieriges und zeitraubendes Manöver. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schiff gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass Montage und Demontage von Welle und Stator schnell und einfach durchgeführt werden können. Diese Aufgabe wird mittels der Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Somit wird folgendes vorgesehen: - Stator, Statornabe mit integrierten Lager und der einteilige Düsenkörper bilden eine einzige vormontierte Baueinheit;
- Die Baueinheit ist mittelbar oder unmittelbar am Heck montierbar und
demontierbar;
- Die Welle ist relativ zur Baueinheit in Richtung der Längsachse der Welle verfahrbar.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt: Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Rumpf eines Schiffes.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Heckbereich des Schiffes. zeigt eine Heckansicht des Schiffes. Aus Figur 1 erkennt man dem prinzipiellen Aufbau eines Schiffes. Im in
Fahrtrichtung gesehen hinteren Bugbereich ist eine Antriebsmaschine 1
angeordnet, die vorliegend als Dieselmotor mit nachgeschaltetem Getriebe 1.1 ausgeführt ist. Die Antriebsmaschine 1 kann im Heckbereich oder im Bugbereich des Schiffes oder Mitschiffs angeordnet werden. Als Antriebsmaschine kann ebenso eine Gasturbine oder ein Elektromotor Verwendung finden. Auch andere Antriebe sind denkbar. Mit dem Getriebe 1.1 steht eine Welle 2 in
Triebverbindung, so dass Drehmoment von der Antriebsmaschine 1 auf die Welle 2 übertragbar ist. Dabei kann die Welle 2 aus mehreren einzelnen Wellen bestehen, die über Kupplungen miteinander in Triebverbindung stehen. Ebenso können Bremseinrichtungen oder zusätzliche Getriebe beziehungsweise
Einrichtungen zur Drehzahl und/oder Drehmomentwandlung zwischen diesen Wellen vorgesehen sein. Die vorwiegend waagrecht verlaufende Welle 2 durchbricht die Schiffshaut und tritt aus dem Schiffsrumpf aus, sodass diese im Heck unter Wasser verläuft. Dabei kann die Welle 2 bereits hinter dem
Austrittsbereich gelagert sein. Eine solche zusätzliche Abstützung stellt eine Lagerung 3 dar, und zwar ein sogenanntes Steven roh rlager 3. Das
Steven roh rlager 3 ist mit dem Schiffsrumpf fest verbunden. Im Heckbereich befindet sich ein Rotor 5, der mit der Welle 2 dreh- und schubfest verbunden ist. In Fahrrichtung gesehen hinter dem Rotor 5 befindet sich ein Stator 6. Dieser Umfasst eine Anzahl von Leitschaufeln 6.1 sowie eine Statornabe 6.2. Rotor 5 und Stator 6 sind von einem Düsenkörper 7 umschlossen. Dieser ist einteilig. Er ist mit dem Stator über dessen Leitschaufeln 6.1 fest verbunden. Im oberen Bereich des Düsenkörpers 7 befindet sich eine Konsole 6.3. Diese ist einerseits mit dem Düsenkörper 7 fest verbunden, und andererseits ist sie mit dem Heck des Schiffs fest verbindbar und zwar auf lösbare Weise. Siehe die Schrauben 6.4 Die folgenden Bauteile bilden miteinander eine in montiertem Zustand feste Baueinheit: Der Stator 6 mit seinen Leitschaufeln 6.1, das Statorlager 6.2, der Düsenkörper 7 und die Konsole 6.3. Diese Baueinheit lässt sich vormontieren und in montiertem Zustand insgesamt am Heck montieren.
Außerdem sind die Welle 2 sowie die Baueinheit zusammenfügbar und
voneinander trennbar. Dies kann dadurch verwirklicht werden, dass die Baueinheit fest steht, beispielsweise bereits am Heck montiert ist, und dass die Welle in Richtung ihrer Längsachse zum Bug hin verschiebbar ist. Die Welle ist
verschiebbar, somit kann die Baueinheit zunächst am Heck montiert werden, und zwar durch Montage der Konsole 6.3.
Die erfindungsgemäße Gestaltung ist bei der Montage besonders vorteilhaft, da die Baueinheit mittels weniger Schrauben 6.4 am Heck ausgerichtet werden kann. Damit wird sichergestellt, dass alle Lagerstellen der Welle 2 fluchten. Ist die
Baueinheit positioniert, so kann der Zwischenraum zwischen Konsole 6.3 und Heck mit einer aushärtenden Flüssigkeit vergossen werden. Nach dem Aushärten werden die übrigen Schrauben verspannt und die Baueinheit ist montiert und ausgerichtet.
Die Welle 2 ist im Bereich der Antriebsmaschine 1 durch ein Schublager 8 gelagert.
Figur 2 zeigt den Heckbereich des Schiffes. Man erkennt wiederum die Welle 2. Deren austragendes freies Ende 2.1 ist von der Lagerbuchse 6.5 der Statornabe 6.2 aufgenommen. Die Außenkanten 5.1 des Rotors 5 befinden sich nahe an der Innenfläche des Düsenkörpers 7. Die Leitschaufeln 6.1 sind mit der Innenwandung des Düsenkörpers 7 fest verbunden.
Montage und Demontage des Rotors können wie folgt ablaufen: Durch Verschieben der Welle 2 in Richtung des Bugs wird der Rotor außerhalb der Düse positioniert. In dieser Position wird er in vertikaler Richtung gehalten. Mittels einer entsprechenden Vorrichtung wird die dreh- und schubfeste Verbindung von Rotor 5 und Welle 2 gelöst. Die Welle kann nun weiter in Richtung Bug
verschoben werden und der Rotor in vertikaler Richtung entfernt werden.
Die Montage wird entgegengesetzt des beschriebenen Vorgangs durchgeführt.
Das Statornabe 6.2 weist eine Lagerbuchse 6.5 aus geeignetem Material auf. Zwischen der Lagerbuchse 6.5 und der Mantelfäche des Wellenendes 2.4 befindet sich ein her nicht gezeigter Lagerspalt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung findet ein äußerst vorteilhafter Schmiervorgang statt, der wie folgt abläuft: Rotor 5 erzeugt in bekannter Weise einen Wasserstrom. Der Wasserstrom der über den Spalt zwischen Rotor 5 und Statornabe 6.2 strömt, induziert einen Unterdruck. Dieser Unterdruck erzeugt wiederum eine Strömung durch den Lagerspalt in entgegengesetzter Richtung (Innenströmung) in Fahrtrichtung. Hierdurch wird eine perfekte Schmierung und Kühlung erreicht.
Schiffe werden klassisch mit ein bis vier Propulsionsorganen betrieben.
Bezugszeichen liste
1 Antriebsmaschine
1.1 Getriebe
2 Welle
2.1 freies Wellenende
3 Stevenrohrlager
5 Rotor
6 Stator
6.1 Leitschaufel
6.2 Statornabe
6.3 Konsole
6.4 Schrauben
6.5 Lagerbuchse
7 Düsenkörper
8 Schublager

Claims

Patentansprüche
1. Schiff, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile:
1.1 einen Schiffsrumpf, umfassend einen Bug und ein Heck
1.2 einen im Heckbereich angeordneten Rotor (5);
1.3 einem dem Rotor (5) zugeordneten Stator (6), umfassend eine Anzahl von Leitschaufeln (6.1);
1.4 einen einteiligen Düsenkörper (7);
1.5 der Düsenkörper (7) umschließt den Rotor (5) und den Stator (6);
1.6 eine Antriebsmaschine (1) im Bugbereich angeordneten Antriebsmaschine
(i);
1.7 eine Welle (2) zum Übertragen von Drehmoment vom Antriebsmaschine (1) zum Rotor (5);
1.8 die Welle (2) ist gelagert in einer Lagerbuchse (6.5), das in der Statornabe (6.2) angeordnet ist, ferner in einem im Bereich der Antriebsmaschine (1) angeordneten Schublager (8);
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.9 Stator (6), Statornabe (6.2) und Düsenkörper (7) bilden eine einzige
vormontierbare Baueinheit;
1.10 die Baueinheit ist mittelbar oder unmittelbar am Heck montierbar und
demontierbar;
1.11 die Baueinheit und die Welle (2) sind relativ zueinander in Richtung der Längsachse der Welle (2) verschiebbar.
2. Schiff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (7) mit einer Konsole (6.3) fest verbunden ist oder eine solche umfasst, die am Heck des Schiffsrumpfes montierbar und demontierbar ist. Schiff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Lager für die Welle (2) ein Stevenrohrlager (3) vorgesehen ist, das sich zwischen dem Statorlager (6.2) und dem Schublager (9) befindet.
Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorlager (6.2) ein wassergeschmiertes und wassergekühltes Lager ist, umfassend eine Lagerbuchse (6.5), die mit der Mantelfläche der Welle (2) einen Lagerspalt bildet, und dass der Lagerspalt während des Betriebes von einem zum Bug hin strömenden Wasserstrom durchspült ist.
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