EP2993121A1 - Schiff und verfahren zur optimierung des propellerwirkungsgrades eines schiffes - Google Patents

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EP2993121A1
EP2993121A1 EP15174425.7A EP15174425A EP2993121A1 EP 2993121 A1 EP2993121 A1 EP 2993121A1 EP 15174425 A EP15174425 A EP 15174425A EP 2993121 A1 EP2993121 A1 EP 2993121A1
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EP
European Patent Office
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speed
ship
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preferred
internal combustion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15174425.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha Freudenberg
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Sdc Ship Design & Consult GmbH
Original Assignee
Sdc Ship Design & Consult GmbH
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H3/10—Propeller-blade pitch changing characterised by having pitch control conjoint with propulsion plant control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/14—Fishing vessels
    • 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
    • B63H21/14—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven relating to internal-combustion engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J3/02—Driving of auxiliaries from propulsion power plant
    • 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
    • B63H23/02—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with mechanical gearing
    • B63H2023/0258—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with mechanical gearing comprising gearings with variable gear ratio, other than reversing drives or trolling drives

Definitions

  • the invention relates to a ship with a propeller driven by an internal combustion engine (drive motor) via a transmission and a method for designing such a ship.
  • Ships with mechanically propelled variable pitch propellers are conventionally designed so that the ratio of the transmission corresponds to the ratio of the rated speed (nominal speed) of the drive motor to the optimum speed of the variable pitch propeller.
  • the rated speed is the speed at which the drive motor delivers the maximum power (rated power) under full load.
  • the optimum speed of the variable pitch propeller is that speed at which the variable pitch propeller converts most of the drive power into propulsion.
  • the constant speed operation allows the direct use of wave generators, which are coupled to the transmission of the drive train, for the electrical supply of the electrical system.
  • the disadvantage is that with a low power requirement, the propeller efficiency deteriorates significantly and the specific fuel consumption of the drive motor increases. While operating in the combiner mode, although the propeller efficiency and specific fuel consumption of the drive motor over the entire power range are optimal; however, due to the variable speed, a shaft generator for the generation of electrical energy can not readily be used.
  • two-stage or multi-stage manual transmissions are used, which make it possible to adapt the ratio of the transmission between the drive motor and the variable pitch propeller to the different driving conditions (optimization of the propeller efficiency).
  • part-load optimized engines are used or double or father-son engines installed, where depending on the power requirements engines can be coupled or decoupled.
  • this causes additional investment costs compared to a single transmission between the drive motor and variable pitch propeller.
  • either frequency converter between the wave generator and the on-board network are interposed, which also causes considerable investment costs and means additional energy losses in the frequency converter, or the on-board power supply is completely designed for work with sliding frequency (ie not for the usual fixed vehicle electrical system frequency of 50 or 60 Hz).
  • sliding frequency ie not for the usual fixed vehicle electrical system frequency of 50 or 60 Hz.
  • the design for Gleitfrequenz means a considerable coordination effort for the shipyard in the construction of the ship and involves significant risks, since the sliding frequency often incompatible with the controls of the various electrical systems on board.
  • the present invention seeks to provide a ship that is more efficient at partial load and full load operable, with additional investment costs can be avoided. Furthermore, the invention is directed to a method for designing such a ship.
  • the ship according to the invention comprises a propeller driven by an internal combustion engine via a transmission and is characterized in that the transmission has a translation which is designed so that in a part load range corresponding to a preferred application profile of the ship, the variable pitch propeller runs at an optimal speed and the internal combustion engine is operated at a reduced speed relative to its rated speed.
  • the inventive method for designing a ship with a driven by an internal combustion engine via a gear pitch propeller is characterized in that the ratio of the transmission for an optimal speed of the variable pitch propeller is tuned in a part load range corresponding to a preferred service profile of the ship to a relative to the rated speed reduced speed of the internal combustion engine.
  • the design of the transmission is optimized for the preferred application profile, in which the drive motor operates under partial load.
  • the transmission ratio is selected so that the optimum speed of the variable pitch for the power requirement of the preferred use profile is compared with the rated speed of the drive motor opposite. This reduced speed is chosen so that the drive motor is able to provide the power required for the preferred mission profile of the ship.
  • Characterized in that the translation of the transmission is tuned to a different speed from the rated speed, it is ensured that the drive motor in the preferred use profile has a low specific power consumption without additional measures, such as part load optimization or multi-engine system.
  • Drive motor and variable pitch propeller are in this design able to work in the preferred use profile and in this similar use profiles with constant speed with a largely optimal propeller efficiency and engine efficiency.
  • the drive motor can in turn be operated at rated speed.
  • the variable pitch propeller then rotates at a higher than design speed, but with higher power output this again results in a propeller efficiency approaching optimum.
  • the drive motor also travels in an area with good specific fuel consumption, since the increase in speed corresponds to the increased power. Switching stages for the translation of the speed of the drive motor to the speed of the variable pitch propeller and a corresponding adjustment of the use of a wave generator are not required.
  • the invention allows a two-stage operation of the variable pitch propeller with a single transmission, which combines the advantages of Kombinatormodes (high propeller efficiency with low specific fuel consumption of the drive motor over a wide load range) with the advantages of constant speed operation (possibility of using a wave generator without adaptation measures) ,
  • the disadvantages of conventional ships with variable pitch propellers such as the high investment costs for a multi-stage transmission, a multi-engine system, a partial load optimized motor or a frequency converter for the wave generator and the technical difficulties of a board electrical system operation with sliding frequency are avoided.
  • one or more of these additional measures can be implemented to optimize a two-stage operation of the variable pitch propeller, but are not required in the context of the invention to achieve the desired effect of optimizing ship operation.
  • a transmission between the internal combustion engine and the wave generator has a translation that is tuned to the reduced speed of the internal combustion engine and the rated speed of the wave generator.
  • the rated speed of the wave generator is the speed at which the wave generator generates electrical power at a particular frequency (eg, 50 or 60 Hz).
  • the wave generator supplies power at the on-board frequency.
  • the transmission for the use of the wave generator at reduced Speed, rated speed and possibly other speeds of the drive motor to various switching stages, so that the shaft generator can be operated at reduced speed, at rated speed and possibly other speeds of the drive motor at its rated speed. Since the power of the transmission for the wave generator is much smaller than the power for driving the variable pitch, fall for a gearbox with multiple switching stages significantly lower investment costs than when using wave generators in the combinatorial mode.
  • the transmission between the internal combustion engine and the shaft generator is part of the transmission between internal combustion engine and variable pitch propeller, which has a particular output for the wave generator.
  • the use of the wave generator at rated speed is dispensed with or selective consumers (eg, a bow thruster motor) are directly coupled to the wave generator and designed to operate at different frequencies.
  • selective consumers eg, a bow thruster motor
  • selective consumers are designed for operation with several - preferably two - frequencies or with sliding frequencies. Since only certain consumers are operated with different frequencies, the problems with frequency-sensitive controls are significantly reduced and the coordination effort and the risks for the construction yard are significantly reduced.
  • the ship has a variable pitch propeller or several variable pitch propellers, which are coupled via one or more transmission with one or more internal combustion engines.
  • the ship is a ship with ice class or a fishing vessel
  • the preferred mission profile of the ship with ice class is the open water ride and the preferred operational profile of the fishing vessel is the journey without deployed network.
  • a ship with ice class is preferably a Finnish-Swedish ice class 1A Super, 1A, 1B or 1C.
  • Fig. 1 and 2 are on the ordinate in each case the power of the drive motor in percent (%) referred to the rated power of the drive motor.
  • the abscissa indicates the speed of the drive motor in percent (%) relative to the rated speed and in revolutions per minute (rpm).
  • the propeller speed and the output power take-off (PTO) of the transmission are indicated on the abscissa in revolutions per minute (rpm).
  • Fig. 1 In conventional design according to Fig. 1 is operated at the design point of the variable pitch propeller with an optimum propeller speed of 1500 revolutions per minute.
  • the engine provides 90% of its maximum continuous rating (MCR) at its rated speed (100% engine speed, 600 rpm). It is an optimal specific fuel oil consumption (SFOC) of 176 g / kWh.
  • MCR maximum continuous rating
  • SFOC specific fuel oil consumption
  • the operating point is 52% MCR and rated speed, with specific fuel consumption SFOC 185 g / kWh (6.66 t / day).
  • the propeller efficiency is worse than at the design point because the speed is predetermined by the maximum power.
  • the specific fuel consumption SFOC is 177 g / kWh.
  • a ship according to the invention is the design point when driving at 11 knots speed through open water at a capacity of 42% MCR and speed of 500 revolutions per minute and optimum speed of the variable pitch of 1500 revolutions per minute.
  • the specific fuel consumption SFOC is 183 g / kWh (5.27 t / day).
  • the propeller efficiency is therefore higher than in the conventional design, since the optimum propeller speed is selected for the service operation in the preferred use profile.
  • a maximum power of the internal combustion engine of 70% MCR can be retrieved in partial load operation. If more power is needed, the engine speed must be increased.
  • the maximum power of 100% MCR at a specific fuel consumption SFOC of 177 g / kWh can be called up.

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Abstract

Schiff mit einem von einer Verbrennungskraftmaschine über ein Getriebe angetriebenen Verstellpropeller, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Übersetzung aufweist, die so ausgelegt ist, dass in einem Teillastbereich, der einem bevorzugten Einsatzprofil des Schiffes entspricht, der Verstellpropeller mit einer optimalen Drehzahl läuft und die Verbrennungskraftmaschine mit einer gegenüber ihrer Nenndrehzahl verringerten Drehzahl betrieben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schiff mit einem von einer Verbrennungskraftmaschine (Antriebsmotor) über ein Getriebe angetriebenen Verstellpropeller und ein Verfahren zur Auslegung eines derartigen Schiffes.
  • Schiffe müssen oft unterschiedlichen Einsatzprofilen gerecht werden, bei denen erheblich unterschiedliche Leistungen für den Vortrieb ins Wasser gebracht werden. Auf der einen Seite gibt es Einsätze, die eine hohe Leistung erfordern. Auf der anderen Seite werden Einsätze mit nur geringer Leistung gefahren. Beispiele für solche Anwendungen sind Schiffe mit Eisklasse, die bei Fahrt in Eis große Leistung benötigen, die die meiste Zeit jedoch in offenem Wasser mit deutlich geringeren Leistungen fahren. Ferner gibt es Fischereischiffe, die beim Schleppen des Netzes große Antriebsleistung ins Wasser bringen müssen, bei Fahrt ohne Netz jedoch mit wesentlich weniger Leistung auskommen. In solchen Fällen gilt es einerseits eine große Antriebsleitung vorzuhalten und bei Bedarf ins Wasser zu bringen, andererseits werden für weite Teile des Einsatzes nur gelinge Antriebsleistung benötigt. Höhe und Verlauf der für den Vortrieb ins Wasser gebrachten Leistungen sind für das jeweilige Einsatzprofil charakteristisch.
  • Schiffe mit mechanisch über ein Getriebe angetriebenem Verstellpropeller werden herkömmlicherweise so entworfen, dass die Übersetzung des Getriebes dem Verhältnis der Nenndrehzahl (Nominaldrehzahl) des Antriebsmotors zur optimalen Drehzahl des Verstellpropellers entspricht. Die Nenndrehzahl ist die Drehzahl, bei der der Antriebsmotor unter Volllast die größtmögliche Leistung (Nennleistung) abgibt. Die optimale Drehzahl des Verstellpropellers ist diejenige Drehzahl, bei der der Verstellpropeller den größten Teil der Antriebsleistung in Vortrieb umsetzt. Andere Betriebspunkte, insbesondere bei Fahrt mit weniger Leistung, werden entweder bei konstanter Drehzahl durch Veränderung der Steigung des Verstellpropellers erreicht (Betrieb bei konstanter Drehzahl) oder die Drehzahl des Antriebsmotors und damit des Verstellpropellers wird variiert, sodass im Rahmen des Motorkennfeldes die Steigung des Verstellpropellers möglichst gar nicht oder nur gering von der Nennsteigung abweicht (Betrieb im Kombinatormode).
  • Der Betrieb mit konstanter Drehzahl lässt unmittelbar den Einsatz von Wellengeneratoren, die an das Getriebe des Vortriebsstranges gekoppelt sind, zur elektrischen Versorgung des Bordnetzes zu. Nachteilig ist jedoch, dass sich bei einem geringen Leistungsbedarf der Propellerwirkungsgrad deutlich verschlechtert und der spezifische Brennstoffverbrauch des Antriebsmotors ansteigt. Beim Betrieb im Kombinatormode sind zwar Propellerwirkungsgrad und spezifischer Kraftstoffverbrauch des Antriebsmotors über den gesamten Leistungsbereich optimal; durch die veränderliche Drehzahl kann jedoch nicht ohne Weiteres ein Wellengenerator für die Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden.
  • Zur Überwindung der Probleme beim Betrieb mit konstanter Drehzahl werden zwei- oder mehrstufige Schaltgetriebe eingesetzt, die es ermöglichen, die Übersetzung des Getriebes zwischen Antriebsmotor und Verstellpropeller den unterschiedlichen Fahrzuständen anzupassen (Optimierung des Propellerwirkungsgrades). Ferner werden zur Optimierung des spezifischen Kraftstoffverbrauches teillastoptimierte Motoren eingesetzt oder Doppel- bzw. Vater-Sohn-Motoren-Anlagen installiert, bei denen je nach Leistungsanforderungen Motoren ein- bzw. ausgekoppelt werden können. Dies verursacht jedoch zusätzliche Investitionskosten im Vergleich zu einem Einfachgetriebe zwischen Antriebsmotor und Verstellpropeller.
  • Um den Einsatz von Wellengeneratoren im Kombinatormode zu ermöglichen, werden entweder Frequenzumrichter zwischen Wellengenerator und dem Bordnetz zwischengeschaltet, was ebenfalls erhebliche Investitionskosten verursacht und zusätzliche Energieverluste im Frequenzumrichter bedeutet, oder das Bordnetz wird vollständig für die Arbeit mit Gleitfrequenz ausgelegt (also nicht für die übliche feste Bordnetzfrequenz von 50 oder 60Hz). Die Auslegung für Gleitfrequenz bedeutet jedoch einen erheblichen Koordinierungsaufwand für die Bauwerft beim Bau des Schiffes und birgt wesentliche Risiken, da sich die Gleitfrequenz oft mit den Steuerungen der verschiedenen elektrischen Systeme an Bord nicht verträgt.
  • Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schiff zu schaffen, das effizienter bei Teillast und Vollast betreibbar ist, wobei zusätzliche Investitionskosten vermieden werden können. Ferner ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Auslegung eines solchen Schiffes gerichtet.
  • Die Aufgabe wird durch ein Schiff gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Schiffes sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Schiff umfasst einen von einer Verbrennungskraftmaschine über ein Getriebe angetriebenen Verstellpropeller und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Übersetzung aufweist, die so ausgelegt ist, dass in einem Teillastbereich, der einem bevorzugten Einsatzprofil des Schiffes entspricht, der Verstellpropeller mit einer optimalen Drehzahl läuft und die Verbrennungskraftmaschine mit einer gegenüber ihrer Nenndrehzahl verringerten Drehzahl betrieben wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auslegung eines Schiffes mit einem von einer Verbrennungskraftmaschine über ein Getriebe angetriebenen Verstellpropeller ist dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung des Getriebes für eine optimale Drehzahl des Verstellpropellers in einem Teillastbereich entsprechend einem bevorzugten Einsatzprofil des Schiffes auf eine gegenüber der Nenndrehzahl verringerte Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine abgestimmt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schiff und Verfahren ist die Auslegung des Getriebes für das bevorzugte Einsatzprofil optimiert, bei dem der Antriebsmotor unter Teillast arbeitet. Dabei wird die Übersetzung des Getriebes so gewählt, dass der optimalen Drehzahl des Verstellpropellers für den Leistungsbedarf des bevorzugten Einsatzprofils eine andere als die Nenndrehzahl des Antriebsmotors gegenüber gestellt wird. Diese verringerte Drehzahl wird so gewählt, dass der Antriebsmotor in der Lage ist, den für das bevorzugte Einsatzprofil des Schiffes benötigten Leistungsbedarf zur Verfügung zu stellen. Dadurch, dass die Übersetzung des Getriebes auf eine von der Nenndrehzahl abweichende Drehzahl abgestimmt ist, wird sichergestellt, dass der Antriebsmotor auch ohne zusätzliche Maßnahmen, wie Teillastoptimierung oder Mehrmotorenanlage, in dem bevorzugten Einsatzprofil einen geringen spezifischen Kraftverbrauch hat. Antriebsmotor und Verstellpropeller sind bei dieser Auslegung in der Lage, im bevorzugten Einsatzprofil und in diesem ähnlichen Einsatzprofilen mit konstanter Drehzahl bei weitgehend optimalem Propellerwirkungsgrad und Motorwirkungsgrad zu arbeiten.
  • Wird für andere Einsatzprofile mehr Leistung gefordert, als diese der Antriebsmotor mit der verringerten Drehzahl zu liefern in der Lage ist, kann der Antriebsmotor wiederum mit Nenndrehzahl betrieben werden. Der Verstellpropeller dreht dann mit einer höheren als der Entwurfsdrehzahl, was jedoch bei höherer Leistungsabgabe erneut zu einem Propellerwirkungsgrad nahe dem Optimum führt. Gleichzeitig fährt auch der Antriebsmotor in einem Bereich mit gutem spezifischem Kraftstoffverbrauch, da die Erhöhung der Drehzahl der erhöhten Leistung entspricht. Schaltstufen für die Übersetzung der Drehzahl des Antriebsmotors auf die Drehzahl des Verstellpropellers und eine entsprechende Anpassung der Nutzung eines Wellengenerators sind nicht erforderlich.
  • Die Erfindung ermöglicht also einen zweistufigen Betrieb des Verstellpropellers mit einem Einfachgetriebe, der die Vorteile des Kombinatormodes (hoher Propellerwirkungsgrad bei geringem spezifischem Kraftstoffverbrauch des Antriebsmotors über einen weiten Lastbereich) mit den Vorteilen des Betriebs mit konstanter Drehzahl (Möglichkeit der Nutzung eines Wellengenerators ohne Anpassungsmaßnahmen) verbindet. Die Nachteile herkömmlicher Schiffe mit Verstellpropellern, wie die hohen Investitionskosten für ein mehrstufiges Getriebe, eine Mehrmotorenanlage, einen teillastoptimierten Motor oder einen Frequenzumrichter für den Wellengenerator und die technischen Schwierigkeiten eines Bordnetzbetriebs mit Gleitfrequenz werden vermieden. Grundsätzlich können jedoch einzelne oder mehrere dieser zusätzlichen Maßnahmen zur Optimierung eines zweistufigen Betriebes des Verstellpropellers verwirklicht werden, sind aber im Sinne der Erfindung nicht erforderlich, um den gewünschten Effekt einer Optimierung des Schiffsbetriebes zu erzielen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung hat zur Nutzung des Wellengenerators im bevorzugten Einsatzprofil ein Getriebe zwischen Verbrennungskraftmaschine und Wellengenerator eine Übersetzung, die auf die verringerte Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und die Nenndrehzahl des Wellengenerators abgestimmt ist. Die Nenndrehzahl des Wellengenerators ist diejenige Drehzahl, bei der der Wellengenerator elektrischen Strom mit einer bestimmten Frequenz (z. B. 50 oder 60 Hz) erzeugt. Bei Betrieb im bevorzugten Einsatzprofil liefert der Wellengenerator Strom mit der Bordfrequenz. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Getriebe für die Verwendung des Wellengenerators bei verringerte Drehzahl, Nenndrehzahl und gegebenenfalls weiteren Drehzahlen des Antriebsmotors verschiedene Schaltstufen auf, sodass der Wellengenerator bei verringerter Drehzahl, bei Nenndrehzahl und gegebenenfalls weiteren Drehzahlen des Antriebsmotors mit seiner Nenndrehzahl betrieben werden kann. Da die Leistung des Getriebes für den Wellengenerator wesentlich kleiner als die Leistung zum Antreiben des Verstellpropellers ist, fallen für ein Getriebe mit mehreren Schaltstufen deutlich geringere Investitionskosten als beim Einsatz von Wellengeneratoren im Kombinatormode an.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Getriebe zwischen Verbrennungskraftmaschine und Wellengenerator ein Teil des Getriebes zwischen Verbrenungskraftmaschine und Verstellpropeller, das für den Wellengenerator einen besonderen Abtrieb aufweist.
  • Gemäß alternativer Ausgestaltungen wird auf den Einsatz des Wellengenerators bei Nenndrehzahl verzichtet oder werden selektive Verbraucher (z. B. ein Bugstrahlrudermotor) direkt mit dem Wellengenerator gekoppelt und für den Betrieb mit unterschiedlichen Frequenzen ausgelegt. Beispielsweise werden selektive Verbraucher für den Betrieb mit mehreren - vorzugsweise zwei - Frequenzen oder mit Gleitfrequenzen ausgelegt. Da hierbei nur bestimmte Verbraucher mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden, sind die Probleme in Bezug auf frequenzempfindliche Steuerungen deutlich reduziert und der Koordinierungsaufwand sowie die Risiken für die Bauwerft deutlich verringert.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat das Schiff einen Verstellpropeller oder mehrere Verstellpropeller, die über ein oder mehrere Getriebe mit einer oder mehreren Verbrennungskraftmaschinen gekoppelt sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schiff ein Schiff mit Eisklasse oder ein Fischereifahrzeug, wobei das bevorzugte Einsatzprofil des Schiffes mit Eisklasse die Offenwasserfahrt und das bevorzugte Einsatzprofil des Fischereifahrzeuges die Fahrt ohne ausgebrachtes Netz ist. Ein Schiff mit Eisklasse ist vorzugsweise ein Schiff der finnisch-schwedischen Eisklasse 1A Super, 1A, 1B oder 1C.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    Auslegungs- und Betriebspunkte bei herkömmlicher Auslegung eines Schiffes mit Verstellpropeller in einem Motorkennfeld;
    Fig. 2
    Auslegungs- und Betriebspunkte bei erfindungsgemäßer Auslegung eines Schiffes mit Verstellpropeller in einem Motorkennfeld.
  • In Fig. 1 und 2 sind auf der Ordinate jeweils die Leistungen des Antriebsmotors in Prozent (%) bezogen auf die Nennleistung des Antriebsmotors angegeben. Auf der Abszisse sind jeweils die Drehzahl des Antriebsmotors in Prozent (%) bezogen auf die Nenndrehzahl und in Umdrehungen pro Minute (rpm) angegeben. Ferner sind auf der Abszisse die Propellerdrehzahl und die Drehzahl des Abtriebes (Power Take Off - PTO) des Getriebes jeweils in Umdrehungen pro Minute (rpm) angegeben. F
  • Bei herkömmlicher Auslegung gemäß Fig. 1 wird im Auslegungspunkt der Verstellpropeller mit einer optimalen Propellerdrehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute betrieben. Im Auslegungspunkt erbringt der Motor 90 % seiner maximalen ständigen Leistung (maximum continuous rating - MCR) bei seiner Nenndrehzahl (100 % engine speed, 600 Umdrehungen pro Minute). Dabei ist ein optimaler spezifischer Treibstoffverbrauch (specific fuel oil consumption - SFOC) von 176 g/kWh gegeben. Bei Betrieb im bevorzugten Einsatzprofil mit einer Fahrt von 11 Knoten in offenem Wasser liegt der Betriebspunkt bei 52 % MCR und Nenndrehzahl, wobei der spezifische Treibstoffverbrauch SFOC 185 g/kWh (6,66 t/Tag) beträgt. Der Propellerwirkungsgrad ist schlechter als im Auslegungspunkt, da die Drehzahl durch die Maximalleistung vorbestimmt ist. Bei Fahrt unter maximaler Leistung der Verbrennungskraftmaschine 100 % MCR beträgt der spezifische Brennstoffverbrauch SFOC 177 g/kWh.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Schiff ist der Auslegungspunkt bei Fahrt mit 11 Knoten Geschwindigkeit durch offenes Wasser bei einer Leistung von 42 % MCR und Drehzahl von 500 Umdrehungen pro Minute sowie optimaler Drehzahl des Verstellpropellers von 1500 Umdrehungen pro Minute gegeben. Im Auslegungspunkt beträgt der spezifische Treibstoffverbrauch SFOC 183 g/kWh (5,27 t/Tag). Der Propellerwirkungsgrad ist deshalb höher als bei der herkömmlichen Auslegung, da die optimale Propellerdrehzahl für den Servicebetrieb im bevorzugten Einsatzprofil gewählt ist. Bei gleicher Propellerdrehzahl kann im Teillastbetrieb eine maximale Leistung der Verbrennungskraftmaschine von 70 % MCR abgerufen werden. Falls mehr Leistung benötigt wird, muss die Motorendrehzahl erhöht werden. Bei Erhöhung auf die Nenndrehzahl kann die maximale Leistung von 100 % MCR bei einem spezifischen Treibstoffverbrauch SFOC von 177 g/kWh abgerufen werden.
  • Zwecks Erhöhung der Maschinendrehzahl auf die Nenndrehzahl können gegebenenfalls einzelne Verbraucher mit variabler Frequenz vorgesehen sein.

Claims (14)

  1. Schiff mit einem von einer Verbrennungskraftmaschine über ein Getriebe angetriebenen Verstellpropeller, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe eine Übersetzung aufweist, die so ausgelegt ist, dass in einem Teillastbereich, der einem bevorzugten Einsatzprofil des Schiffes entspricht, der Verstellpropeller mit einer optimalen Drehzahl läuft und die Verbrennungskraftmaschine mit einer gegenüber ihrer Nenndrehzahl verringerten Drehzahl betrieben wird.
  2. Schiff nach Anspruch 1, bei dem für ein anderes Einsatzprofil, das mehr Leistung als das bevorzugte Einsatzprofil erfordert, die Verbrennungskraftmaschine mit Nenndrehzahl betrieben wird und der Verstellpropeller mit einer gegenüber der Drehzahl im bevorzugten Einsatzprofil erhöhten Drehzahl läuft.
  3. Schiff nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Getriebe einen Abtrieb hat, der mit einem Wellengenerator verbunden ist und die Übersetzung des Abtriebs so ausgelegt ist, dass beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit der verringerten Drehzahl für das bevorzugte Einsatzprofil des Schiffes der Wellengenerator mit seiner Nenndrehzahl läuft.
  4. Schiff nach Anspruch 3, bei dem der Abtrieb des Getriebes für den Wellengenerator meherere Schaltstufen für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit unterschiedlichen Drehzahlen aufweist, die so ausgelegt sind, dass der Wellengenerator in verschiedenen Schaltstufen, die jeweils dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit einer bestimmten Drehzahl angeordnet sind, mit seiner Nenndrehzahl läuft.
  5. Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest ein Teil der elektrischen Verbraucher des Schiffes so ausgelegt ist, dass sie vom Wellengenerator, der im bevorzugten Einsatzprofil der verringerten Drehzahl und außerhalb des bevorzugten Einsatzprofils mit einer anderen als der verringerten Drehzahl betrieben wird, mit elektrischem Strom mit verschiedenen Frequenzen versorgt werden können.
  6. Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das einen Verstellpropeller oder mehrere Verstellpropeller aufweist, der/die über ein oder mehrere Getriebe mit einer oder mehreren Verbrennungskraftmaschinen gekoppelt sind.
  7. Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ein Schiff mit Eisklasse oder ein Fischereifahrzeug ist, wobei das bevorzugte Einsatzprofil des Schiffes mit Eisklasse die Offenwasserfahrt und das bevorzugte Einsatzprofil des Fischereifahrzeugs die Fahrt ohne ausgebrachtes Netz ist.
  8. Verfahren zur Auslegung eines Schiffes mit einem von einer Verbrennungskraftmaschine über ein Getriebe angetriebenen Verstellpropeller, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung des Getriebes für eine optimale Drehzahl des Verstellpropellers in einem Teilbereich entsprechend einem bevorzugten Einsatzprofil des Schiffes auf eine gegenüber der Nenndrehzahl verringerte Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine abgestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Schiff für ein anderes Einsatzprofil, das mehr Leistung als das bevorzugte Einsatzprofil erfordert, so ausgelegt wird, dass die Verbrennungskraftmaschine mit Nenndrehzahl betrieben wird und der Verstellpropeller mit einer gegenüber der Drehzahl im bevorzugen Einsatzprofil erhöhten Drehzahl läuft.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Übersetzung eines Abtriebs des Getriebes für einen Wellengenerator auf den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei der verringerten Drehzahl für das bevorzugte Einsatzprofil des Schiffes und den Betrieb des Wellengenerators bei seiner Nenndrehzahl abgestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem eine Schaltstufe des Abtriebs auf einen Betrieb des Wellengenerators mit seiner Nenndrehzahl beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit verringerter Drehzahl für das bevorzugte Einsatzprofil des Schiffes und mindestens eine weitere Schaltstufe des Abtriebs auf einen Betrieb des Wellengenerators mit seiner Nenndrehzahl beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit einer anderen Drehzahl als der verringerten Drehzahl abgestimmt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem zumindest ein Teil der elektrischen Verbraucher des Schiffes so ausgelegt wird, dass sie vom Wellengenerator mit Strom unterschiedlicher Frequenzen versorgt werden können, wenn dieser im bevorzugten Einsatzprofil mit der verringerten Drehzahl und außerhalb des bevorzugten Einsatzprofils mit einer anderen als der verringerten Drehzahl betrieben wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem das Schiff für den Betrieb eines Verstellpropellers oder mehrerer Verstellpropeller über ein oder mehrere Getriebe mit einer oder mehreren Verbrennungskraftmaschinen ausgelegt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem das Schiff mit Eisklasse oder als Fischereifahrzeug ausgelegt wird, wobei das bevorzugte Einsatzprofil des Schiffes mit Eisklasse die Offenwasserfahrt und das bevorzugte Einsatzprofil des Fischereifahrzeuges die Fahrt ohne ausgebrachtes Netz ist.
EP15174425.7A 2014-06-30 2015-06-30 Schiff und verfahren zur optimierung des propellerwirkungsgrades eines schiffes Withdrawn EP2993121A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112874719A (zh) * 2020-12-03 2021-06-01 中国舰船研究设计中心 一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法

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