DE4337761C2

DE4337761C2 - Rotierendes Maschinenteil, insbesondere Rotor eines Zykloidal-Schiffspropellers

Info

Publication number: DE4337761C2
Application number: DE4337761A
Authority: DE
Inventors: Werner Fork
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2013-11-06
Also published as: DE4337761A1; JPH08505341A; US5588798A; EP0677010A1; WO1995012520A1

Description

Die Erfindung betrifft ein rotierendes Maschinenteil entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes rotierendes Maschinenteil in Form eines Schiffspropellers ist aus der Druckschrift "Voith- Schneider-Propeller" der J. M. Voith GmbH, Heidenheim von 1965 bekannt. Dieser weist einen rotierenden Radkörper auf, der außen achsparallele Flügel, deren Schäfte durch auswechselbare Doppelmanschetten gegen Seewassereintritt bzw. Ölaustritt abgedichtet sind, trägt. Der Radkörper ist in einem feststehenden Spurkranz und einem Halslager gelagert. Während das Halslager den Radkörper zentriert und den Propellerschub über das Propellergehäuse auf das Schiff überträgt, nimmt der Spurkranz das Eigengewicht der umlaufenden Teile und die aus Propellerschub und Zahndruck resultierenden Kippkräfte auf. Der Radkörper wird über ein spezialverzahntes Kegelradgetriebe, welches über eine Antriebstrommel mit dem Radkörper verbunden ist, angetrieben. Eine Verstellung der Flügel erfolgt mittels eines Flügelantriebsgestänges. Die Steuerung des Flügelantriebsgestänges geschieht über einen Steuerknüppel, der durch zwei druckölgesteuerte Servomotoren betätigt wird. Das Drucköl für die Servomotoren sowie das erforderliche Schmieröl wird durch eine vom Tellerrad angetriebene Zahnradpumpe geliefert. Diese fördert das Öl über einen Hochdruckkreis zu den Servomotoren sowie über einen Niederdruckkreis zu den Schmierstellen. Der ölgefüllte Radkörper steht über ein Steig- bzw. ein Fallrohr mit einem Ölhochbehälter in Verbindung, welcher bei laufendem Propeller vom Schmierölkreislauf durchflossen wird. Der Radkörper bei einem Zykloidal-Schiffspropeller dient u. a. dazu, die mechanische Verlustleistung, die durch Reibung in Lagern, Getrieben und Dichtungen, durch Drosselverluste in den Rohrleitungen und sonstwo entsteht, vom Wärmeträger Öl in Seewasser abzugeben. Das zentral über den Steuerknüppel zugeführte warme Öl kommt jedoch nur sehr unvollkommen mit den kalten Außenflächen in Berührung, weil es durch die Drehung des Radkörpers immer im Zentrum konzentriert bleibt. Die Ableitung des Öles selbst erfolgt beispielsweise über Rücklauflöcher im Bereich der Lagerung des Steuerknüppels. Der Nachteil einer derartigen Ausführung besteht im wesentlichen darin, daß der Kühleffekt nicht ausreichend ist, um die gesamte Verlustleistung abzugeben, so daß weitere Kühleinrichtungen benötigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeübertragung hinsichtlich der Maschinenteilkühlung bzw. der Lagerstelle entscheidend zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Es wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine Zwangsströmung hervorgerufen, welche eine sehr gute Ausnutzung des Wärmeübertragungsvermögens des Schmiermittels (oder auch anderen Wärmeübertragungsmediums) ausnutzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Dabei stellt Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Schiffs-Zykloidalpropeller und Fig. 2 eine stark vereinfachte Draufsicht auf den Rotor (das rotierende Maschinenteil) dar.

Dabei besteht der Propeller aus den Hauptbestandteilen Stator 4 und Rotor 1, welcher die einzelnen Schaufeln 2 (im allgemeinen fünf an der Zahl) mittels der Flügellagerung 23, 23′ trägt. Für das obere Lager 23 ist dabei eine Lagerplatte 38 vorgesehen. Der Antrieb des Rotors erfolgt dabei über den oberen Rotorteil 3, und mittels dem damit verbundenen Kegelrad 14 über das Kegelritzel 13, Vorschaltgetriebe 29, Wellenzapfen 34 und den hier nicht dargestellten Antriebsmotor.

Die Verstellung der Propellerflügel 2 erfolgt in bekannter Weise durch den zentralen Steuerknüppel 5, der nach allen Seiten beweglich in dem zentralen, sphärischen Hauptlager 20 gelagert ist. Das von dem hydraulischen Stellmotor 16 ausgehende Verstellgestänge 7 zur Verstellung des Steuerknüppels in der einen Richtung (z. B. für Fahrt) greift über ein oberes Knüppellager 22 an dem Knüppel 5 an. Die Verstelleinrichtung in dazu senkrechter Richtung (in der gleichen horizontalen Ebene) ist hier nicht dargestellt, da ohnehin aus zeichnerischen Gründen davon nicht viel zu erkennen wäre. Diese Verstelleinrichtung ist aber praktisch ähnlich ausgebildet. Das Öl wird von einer Pumpe 31 gefördert und von einem Druckventil 32 den hydraulischen Stellmotoren 16 und den Schmier- und Lagerstellen über nicht dargestellte Leitungen entsprechend dem Bedarf dosiert zugeführt. Das für diese Verbraucher nicht benötigte Öl wird dem Steuerknüppel 5 durch Leitung 33 zugeleitet.

Der Steuerknüppel 5 verstellt die einzelnen Flügel 2 über die Kuppelstangen 18 und ist zu dem Zweck in seinem unteren Teil von einer Steuerhülse 21 umgeben bzw. ist diese an dem unteren Ende des Steuerknüppels gelagert. Die zentrale Bohrung 35 für das Schmieröl mündet mit einer zentralen Einleitungsstelle 17 in den unteren Teil 6 des Rotors 1. Dieses Teil ist im wesentlichen ein flaches, zylindrisches Gehäuse mit einer zylindrischen Außenwand 13. In diesem sind durch Zwischenwände 42 Taschen 40 für die Lagerung der Flügel 2 ausgebildet. Nach oben ist der untere Teil des Rotors 1 durch eine Deckplatte 41 abgedeckt (siehe Fig. 2).

Von diesen Taschen 40 führt mindestens jeweils eine Rückleitung 12 für das Öl (Wärmeübertragungsmedium) heraus. Diese beginnt jeweils im radial äußeren Bereich der Taschen und ist an den oberen Rotorteil 3 angeschlossen, wo sie sich in einer Öffnung 39 dieses Teils fortsetzt. Danach steigt das Öl weiter aufwärts durch Bohrungen 24 und 25, die in dem zentralen Hauptlager des Steuerknüppels angebracht sind. Von dort gelangt das Öl in das Ölgehäuse 11, das als Blecheinsatz in das büchsenartige Knüppelgehäuse 9 eingeschoben ist. Um die Ölströmung vom zentralen inneren Bereich nach radial außen im Rotorgehäuse und wieder zurück von dort zu dem mehr oder weniger zentralen Bereich zu gewährleisten, ist noch eine Absperrung in Form eines Dichtungsträgers 10 um den Knüppel herum vorgesehen, der an seinem oberen Bereich eine Dichtung trägt, die gegen das zentrale Hauptlager 20 des Knüppels 5, jedoch radial innerhalb des Bereichs, der die Bohrungen 24, 25 trägt, abdichtet. Der weitere Ölfluß geht über Leitungen 26 und 27 zu einem Sammelbehälter 53, von dem aus das Öl über Leitung 28 in einen im Statorbereich angeordneten Ölbehälter 36 abfließt, aus dem die Pumpe 31 das Öl wieder in den Kreislauf fördert.

Die Erfindung beruht auf folgender Überlegung:
Bei der gleichmäßigen Rotation eines flüssigkeitsgefüllten Behälters rotiert die Flüssigkeit im gleichen Maße. Die Fliehkräfte in der Flüssigkeit bewirken einen Druckanstieg nach außen entsprechend der Formel

P_r = 1/2 X × r² × w² = 1/2 ρ × u²

Mit P_r = Druck auf dem Radius r
ρ = Dichte der Flüssigkeit
r = Radius auf dem der Druck betrachtet wird
w = Winkelgeschwindigkeit des Behälters.

Der Druck im Zentrum addiert sich zu den so errechneten Drücken.

Irgendwelche Dichteunterschiede innerhalb der Flüssigkeit durch verschiedene Phasen, Temperaturen oder Mischungen führen zu Schichtungen, die mehr oder weniger stabil sind. Bei Mineralöl einer einheitlichen Sorte ergibt eine Temperaturdifferenz bereits eine recht stabile Schichtung, wenn das warme Öl im Zentrum zugeführt wird.

Die Schichtflächen bilden Parabeloide. Die Drücke in einer Schichtfläche sind konstant.

Richtwerte für Flügelradpropeller der beschriebenen Bauart:
ρ = 900 kg/m³, U = 11 m/s (auf Flügelkreis)
P_r = 0,54 bar.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß ohne die erfindungsgemäße Maßnahme, bestehend aus den Rücklaufrohren 12 und dem Dichtungsträger 10, es ohne weiteres nicht der Fall ist, daß das warme Öl die Außenflächen des Radkörpers erreicht. Das warme Öl würde nämlich nach seinem Austritt aus dem unteren Ende des Steuerknüppels 5 nach oben wieder direkt zu den Rücklauflöchern strömen. Die Austrittsgeschwindigkeit des Öles und die Bewegung der Antriebskinematik für die Flügel 2 können diesen direkten Rückfluß nicht nachhaltig beeinflussen. Die gegliederte Form des Radkörpers mit seinen Taschen für die Flügellager 23 und 23′ unterbindet noch weiter eine stärkere Durchmischung des Öls.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme führen die Rückführleitungen das kalte Öl in einen Bereich nahe des Zentralbereichs des Rotors, wo das Öl wieder dem Kreislauf zugeführt wird. Dieser Öldurchlauf ergibt eine Benetzung der Außenflächen des Rotorgehäuses 6 mit dem warmen Öl bis zum Außendurchmesser und eine Ableitung des am weitesten gekühlten Öles aus der untersten und äußersten Ecke des Radkörpers.

Eine Wärmeisolierung der Rücklaufleitungen (des Rücklaufrohres) verhindert eine starke Wiedererwärmung des Öles. Im allgemeinen reicht bereits je ein Rücklaufrohr 12 für jede Tasche 40 des unteren Rotorgehäuses für eine optimale Abfuhr des kalten Öles.

Nach diesem Prinzip lassen sich auch andere rotierende Wärmetauscher bzw. andere rotierende Maschinenteile aufbauen.

Claims

1. Rotierendes Maschinenteil (1), insbesondere Rotor eines Zykloidalpropellers, wobei die Rotorachse gleich der Rotationsachse ist und das Maschinenteil in einer Atmosphäre oder einem Medium rotiert, das Wärme in einem Maße, um eine nötige Kühlwirkung am Maschinenteil (1) bzw. in dessen Innerem zu erzeugen, zu übertragen imstande ist, und bei dem eine zentrale Einleitungsstelle (17) am Maschinenteil (1) sowie Rückleitungen (12) für ein Wärmeübertragungsmedium vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückleitungen (12) jeweils einen Einlaß für das rückzuleitende Wärmeübertragungsmedium aufweisen, der im radial äußeren Bereich des Maschinenteils (1) angeordnet ist, und daß die Rückführstelle (24, 26) für das rückzuführende Wärmeübertragungsmedium in der Nähe der Zentralachse des Maschinenteils (1) vorgesehen ist.

2. Rotierendes Maschinenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der direkte Rückfluß des Wärmeübertragungsmediums zum zentralen Bereich insbesondere dem oberen Teil (3) des Maschinenteils (1) durch einen Dichtungsträger in Form einer Rotorbüchse (10) von dem mehr radial außen strömenden Rückfluß des Wärmeübertragungsmediums absperrbar ist.

3. Rotierendes Maschinenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitungen (12) radial verlaufen und ggf. sternförmig angeordnet sind und höchstens 150 von der radialen Richtung abweichen.

4. Rotierendes Maschinenteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenteil als Rotor eines Zykloidal-Schiffspropellers ausgeführt und das Wärmeübertragungsmedium das Schmieröl des Zykloidalpropellers ist.