EP3188965B2 - Verstellpropeller - Google Patents
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- B63H3/081—Propeller-blade pitch changing characterised by use of non-mechanical actuating means, e.g. electrical fluid actuated by control element coaxial with the propeller shaft
- B63H3/082—Propeller-blade pitch changing characterised by use of non-mechanical actuating means, e.g. electrical fluid actuated by control element coaxial with the propeller shaft the control element being axially reciprocatable
- B63H2003/084—Propeller-blade pitch changing characterised by use of non-mechanical actuating means, e.g. electrical fluid actuated by control element coaxial with the propeller shaft the control element being axially reciprocatable with annular cylinder and piston
Definitions
- the invention relates to a ship propulsion system according to the preamble of claim 1.
- Such ship drives have variable pitch propellers, which are used in particular in ships to be able to select the propulsion independently of the speed of the ship's engine. Variable pitch propellers are therefore particularly advantageous when the thrust changes frequently.
- a disadvantage of known ship propulsion systems is that, although their controllable pitch propellers can be manufactured to be very robust, even minor defects, such as leaks, mean that they have to be repaired immediately to prevent leaking hydraulic fluid from having to be replaced.
- the invention is based on the object of specifying a ship propulsion system that can be operated particularly safely.
- the invention solves the problem by a controllable pitch propeller with the features of claim 1.
- Another advantage is that hydraulic fluid that escapes in the event of a leak causes little or no environmental pollution.
- mineral oil is used as the hydraulic fluid, which is not allowed to be released into the water in most countries. Even small leaks therefore mean that controllable pitch propellers can no longer be operated according to the current state of the art.
- water By using water as the hydraulic fluid, water pollution can be largely ruled out, so that the controllable pitch propeller can continue to operate even in the event of a leak. This increases the availability of a ship that is equipped with the ship propulsion system according to the invention.
- Another advantage is that the ship's drive is easy to maintain. When the adjustment device is in operation, wear leads to the accumulation of particles in the hydraulic fluid. The hydraulic fluid must therefore be replaced at regular intervals. By using hydrophilic hydraulic fluid such as water, the hydraulic fluid can be easily replaced.
- Another advantage is that the formation of steam and cavitation bubbles is largely excluded. Even at high temperatures, for example in the engine room, where a pressurized water distributor can be installed to supply the controllable pitch propeller with hydraulic fluid, and also an increased introduction of thermal energy into the controllable pitch propeller through frequent operation, it is ensured that no steam and cavitation bubbles can occur. Cavitation quickly leads to severe wear and occurs when the steam pressure is locally and temporarily undercut.
- the hydraulic adjustment device is understood to mean in particular the device by means of which the setting angle, which is decisive for the pitch of the propeller blade, can be adjusted.
- the adjustment device preferably comprises a pressurized water source for releasing pressurized water.
- the pressure of the hydraulic fluid built up by the pressurized water source is at least 5 bar, in particular at least 50 bar.
- a hydrophilic hydraulic fluid is understood to mean in particular a fluid that is miscible with water in any ratio.
- the fluid preferably comprises at least 70 percent by weight of water and alcohols.
- the hydraulic fluid is preferably non-toxic to fish up to a concentration of 0.1 percent by weight. This is understood in particular to mean that the zero effect concentration, i.e. the concentration at which no fish dies within 24 hours, is at least 0.1 percent by weight.
- the hydraulic fluid is biodegradable. This is understood in particular to mean that it meets the modified OECD screening test OECD 301 E.
- the hydraulic fluid consists of at least 80 percent by weight of water.
- the water it is possible for the water to contain additives, for example anti-corrosive agents and/or an antifreeze.
- additives for example anti-corrosive agents and/or an antifreeze.
- the higher the water content the more likely leakage into the environment can be tolerated.
- the hydraulic fluid does not contain any substances that are toxic to aquatic life. This means in particular that hydraulic fluid can be introduced into the water without endangering aquatic life. It is particularly advantageous if the hydraulic fluid contains no more than 2.5 percent by weight, and in particular no more than 1 percent by weight, of mineral oil. If hydraulic fluid leaks out, mineral oil components cause a clearly visible oil film to form on the affected water surface, which is undesirable from an environmental point of view. If the hydraulic fluid contains mineral oil or only very small amounts of it, the escaping hydraulic fluid cannot contaminate the surrounding water. A list of substances that are not toxic to aquatic life can be found, for example, in the General Administrative Regulation on the Water Resources Act on the classification of water-polluting substances into water hazard classes, Federal Gazette Volume 51, Number 98a, ISSN 0720-6100.
- At least one propeller blade is mounted on the hub in a self-lubricating manner. This prevents the release of mineral oil products into the water.
- the hydraulic adjustment device comprises a piston which is coupled to the at least one propeller blade in such a way that the propeller blade can be actuated by applying hydraulic fluid to the piston, and a conversion device for converting a longitudinal movement of the piston into a rotary movement of the at least one propeller blade, wherein the conversion device is designed to be self-lubricating.
- the conversion device does not comprise any lubricant, in particular no lubricant containing mineral oil. It is particularly advantageous if all components of the variable pitch propeller which are at the same axial height as the hub are free of mineral oil-based lubricants. In particular, these components are self-lubricating.
- the axial height refers to the axis of rotation of the hub.
- Figure 1 shows schematically a cross section through a ship 10, which has a ship propulsion system 12 according to the invention, which comprises a drive motor 14 in the form of a marine diesel engine and a variable pitch propeller 16.
- the variable pitch propeller 16 has a hub 18 and a first propeller blade 20.1, a second propeller blade 20.2 and further propeller blades, which in Figure 1 are not shown.
- the pitch of the propeller blades 20.1, 20.2 can be changed by means of a hydraulic adjustment device 22.
- the pitch is specified by an adjustment angle ⁇ .
- Figure 1 also shows a rudder system 24 of the ship 10.
- the adjusting device 22 has a pressurized water distributor 26, which is part of a pressurized water supply device 27 and is connected to a schematically drawn pressurized water source 28 in such a way that hydraulic fluid 29 provided by the pressurized water source 28 and under pressure can be supplied in the form of water to a piston 30 in the hub of the variable pitch propeller 16.
- a pressurized water distributor 26 which is part of a pressurized water supply device 27 and is connected to a schematically drawn pressurized water source 28 in such a way that hydraulic fluid 29 provided by the pressurized water source 28 and under pressure can be supplied in the form of water to a piston 30 in the hub of the variable pitch propeller 16.
- hydraulic fluid 29 provided by the pressurized water source 28 and under pressure can be supplied in the form of water to a piston 30 in the hub of the variable pitch propeller 16.
- Figure 2a shows a variable pitch propeller 16 in which the piston 30 is arranged in a hydraulic cylinder 32 within the hub 18. If the pressurized water distributor 26 pressurizes a first partial volume 34 of the hydraulic cylinder 32, the setting angle ⁇ increases. If the pressurized water distributor 26 pressurizes a second partial volume 36, the setting angle ⁇ decreases.
- the piston 30 is made of corrosion-resistant material, for example bronze and/or corrosion-resistant steel.
- Figure 2b shows an alternative embodiment of a controllable pitch propeller 16, in which the hydraulic cylinder 32 and thus the piston 30 are arranged outside the hub 18.
- the piston 30 is connected to a piston rod 38 which runs through a shaft 40 and actuates the propeller blades 20.
- the ship's propulsion system 12 comprises a cooler 42, by means of which the hydraulic fluid 29 can be cooled.
- the cooler 42 is a heat exchanger which is connected to the cooling water circuit of the ship 10.
- the temperature T of the hydraulic fluid is continuously determined by means of a temperature monitoring device in the form of a temperature sensor 44. If the temperature exceeds 60°C, a warning signal is issued, for example in the form of an electrical signal that encodes the fact that the temperature is too high. Alternatively, the warning signal causes the cooler 42 to cool the hydraulic fluid more. This prevents heating to a temperature significantly above 60°C and avoids vapor bubbles.
- Figure 3 shows the structure of the hub 18 in cross-section with more details.
- a conversion device 41 can be seen, by means of which the longitudinal movement of the piston 30 is converted into the rotary movement of the propeller blades 20.
- the hydraulic fluid 29 has the following composition: 15 percent by weight of ethylene glycol as antifreeze and 85 percent by weight of water.
- the water can be drinking water or sea water, for example.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Derartige Schiffsantriebe besitzen Verstellpropeller. die insbesondere in Schiffen eingesetzt werden, um den Vortrieb unabhängig von der Drehzahl des Schiffsmotors wählen zu können. Verstellpropeller sind daher besonders dann vorteilhaft, wenn der Vorschub sich oft ändert.
- Nachteilig an bekannten Schiffsantrieben ist, dass deren Verstellpropeller zwar sehr robust hergestellt werden können, bereits kleinere Defekte, beispielsweise Leckagen, aber dazu führen, dass sie sofort repariert werden müssen, um zu verhindern, dass austretendes Hydraulikfluid ersetzt werden muss.
- Aus der
EP 1 902 941 A2 ist daher bekannt, Wasser als Hydraulikfluid zu verwenden. Nachteilig an einem solchen System ist, dass die Befürchtung besteht, dass häufige Betätigung unter ungünstigen Bedingungen zu einem ungenügenden Ansprechen des Verstellpropellers führen könnte. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders sicher zu betreibenden Schiffsantrieb anzugeben.
- Die Erfindung löst das Problem durch einen Verstellpropeller mit den Merkmalen von Anspruch 1.
- Vorteilhaft an einem derartigen Schiffsantrieb ist, dass er fehlertolerant ist. Selbst wenn nämlich die hydraulische Verstellvorrichtung eine Leckage zeigt, so ist es meist nicht notwendig, die Verstellvorrichtung sofort zu reparieren. Der Grund ist, dass ein hydrophiles Hydraulikfluid wie Wasser oder Glyzerin einfach und mit geringem Aufwand überall verfügbar ist. Ein Verlust an Hydraulikfluid kann dadurch einfach ausgeglichen werden.
- Es ist ein weiterer Vorteil, dass bei einer Leckage austretendes Hydraulikfluid zu keiner oder nur einer geringen Belastung der Umwelt führt. Im Stand der Technik wird als Hydraulikfluid Mineralöl verwendet, was in den meisten Staaten nicht ins Wasser abgegeben werden darf. Bereits kleinere Leckagen führen daher dazu, dass Verstellpropeller nach dem Stand der Technik nicht mehr betrieben werden dürfen. Durch die Verwendung von Wasser als Hydraulikfluid kann eine Gewässerverunreinigung weitestgehend ausgeschlossen werden, so dass der Verstellpropeller auch im Leckagefall weiterbetrieben werden kann. Das erhöht die Verfügbarkeit eines Schiffes, das mit dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb ausgerüstet ist.
- Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Schiffsantrieb einfach zu warten ist. Beim Betrieb der Verstellvorrichtung führt Verschleiß zur Anreicherung von Partikeln im Hydraulikfluid. Das Hydraulikfluid muss daher in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden. Durch die Verwendung von hydrophilem Hydraulikfluid wie Wasser ist der Austausch des Hydraulikfluids einfach möglich.
- Vorteilhaft ist zudem, dass die Bildung von Dampf- und Kavitationsblasen weitgehend ausgeschlossen ist. Auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise im Maschinenraum, in dem ein Druckwasserverteiler zum Versorgen des Verstellpropellers mit Hydraulikfluid angeordnet sein kann, und zudem einer erhöhten Einbringung von Wärmeenergie in den Verstellpropeller durch häufiges Betätigen, ist sichergestellt, dass keine Dampf- und Kavitationsblasen auftreten können. Kavitation führt schnell zu starkem Verschleiß und entsteht, wenn der Dampfdruck lokal und temporär unterschritten wird.
- Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der hydraulischen Verstellvorrichtung insbesondere diejenige Vorrichtung verstanden, mittels der der Stellwinkel, der maßgeblich ist für die Steigung des Propellerblatts, verstellbar ist. Insbesondere umfasst die Verstellvorrichtung vorzugsweise eine Druckwasserquelle zum Abgeben von unter Druck stehendem Wasser. Insbesondere beträgt der Druck des Hydraulikfluids, der von der Druckwasserquelle aufgebaut wird, zumindest 5 bar, insbesondere zumindest 50 bar.
- Unter einem hydrophilem Hydraulikfluid wird insbesondere ein Fluid verstanden, das mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar ist. Vorzugsweise umfasst das Fluid zu zumindest 70 Gewichtsprozenten Wasser und Alkohole. Vorzugsweise ist das Hydraulikfluid für Fische bis zu einer Konzentration von einem 0,1 Gewichtsprozent ungiftig. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die Nulleffektkonzentration, also die Konzentration, bei der innerhalb von 24 Stunden kein Fisch stirbt, zumindest 0,1 Gewichtsprozent beträgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hydraulikfluid biologisch abbaubar. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass es den modifizierten OECD-Screening-Test OECD 301 E erfüllt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Hydraulikfluid zu zumindest 80 Gewichtsprozenten aus Wasser. Es ist in anderen Worten möglich, dass das Wasser Additive enthält, beispielsweise Korrosionsschutzmittel und/oder ein Frostschutzmittel. Je höher jedoch der Wassergehalt ist, desto eher kann eine Leckage in die Umgebung toleriert werden.
- Besonders günstig ist es, wenn das Hydraulikfluid keine für Wasserlebewesen toxischen Stoffe enthält. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass eine Einleitung von Hydraulikfluid in das Wasser möglich ist, ohne die Wasserlebewesen zu gefährden. Besonders günstig ist es, wenn das Hydraulikfluid höchstens 2,5 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 1 Gewichtsprozent, Mineralöl enthält. Tritt Hydraulikfluid aus, so führen Mineralölbestandteile dazu, dass sich auf der betroffenen Wasseroberfläche ein deutlich sichtbarer Ölfilm bildet, was aus Umweltgesichtspunkten unerwünscht ist. Enthält das Hydraulikfluid ein Mineralöl oder nur sehr geringe Mengen davon, so kann austretendes Hydraulikfluid das umgebende Gewässer nicht verunreinigen. Eine Aufstellung für Wasserlebewesen nicht toxischer Stoffe findet sich zum Beispiel in der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zum Wasserhaushaltsgesetz über die Einstufung wassergefährdender Stoffe in Wassergefährdungsklassen, Bundesanzeiger Jahrgang 51, Nummer 98a, ISSN 0720-6100.
- Erfindungsgemäß ist das zumindest eine Propellerblatt selbstschmierend an der Nabe gelagert. So wird eine Abgabe von Mineralölprodukten ins Wasser verhindert.
- Erfindungsgemäß umfasst die hydraulische Verstellvorrichtung einen Kolben, der so mit dem zumindest einen Propellerblatt gekoppelt ist, dass das Propellerblatt durch Beaufschlagen des Kolbens mit Hydraulikfluid betätigbar ist, und eine Umsetzvorrichtung zum Umsetzen einer Längsbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung des zumindest einen Propellerblatts, wobei die Umsetzvorrichtung selbstschmierend ausgebildet ist. In anderen Worten umfasst die Umsetzvorrichtung keinen Schmierstoff, insbesondere keinen mineralölhaltigen Schmierstoff. Besonders günstig ist es, wenn alle Komponenten des Verstellpropellers, die auf der gleichen axialen Höhe liegen wie die Nabe, frei von Schmierstoffen auf Mineralölbasis sind. Insbesondere sind diese Komponenten selbstschmierend. Die axiale Höhe bezieht sich dabei auf die Drehachse der Nabe. Vorteilhaft an einem derartigen Verstellpropeller ist, dass Verunreinigungen des umgebenden Wassers mit Mineralölprodukten ausgeschlossen werden können.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
- Figur 1
- einen Querschnitt durch ein schematisch eingezeichnetes Schiff mit einem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb,
- Figur 2a
- eine schematische Ansicht eines Verstellpropellers gemäß einer ersten Ausführungsform,
- Figur 2b
- das Prinzip eines Verstellpropellers gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- Figur 3
- einen Querschnitt durch einen Verstellpropeller.
-
Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Schiff 10, das einen erfindungsgemäßen Schiffsantrieb 12 besitzt, der einen Antriebsmotor 14 in Form eines Schiffsdiesels und einen Verstellpropeller 16 umfasst. Der Verstellpropeller 16 besitzt eine Nabe 18 sowie ein erstes Propellerblatt 20.1, ein zweites Propellerblatt 20.2 und weitere Propellerblätter, die inFigur 1 nicht dargestellt sind. - Die Propellerblätter 20.1, 20.2 sind mittels einer hydraulischen Verstellvorrichtung 22 in ihrer Steigung veränderbar. Die Steigung wird angegeben durch einen Einstellwinkel ε.
Figur 1 zeigt zudem eine Ruderanlage 24 des Schiffs 10. - Die Verstellvorrichtung 22 weist einen Druckwasserverteiler 26 auf, der Teil einer Druckwasser-Versorgungsvorrichtung 27 ist und mit einer schematisch eingezeichneten Druckwasserquelle 28 so verbunden ist, dass von der Druckwasserquelle 28 bereitgestelltes und unter Druck stehendes Hydraulikfluid 29 in Form von Wasser an einen Kolben 30 in der Nabe des Verstellpropellers 16 geliefert werden kann. Die Funktionsweise dieses Kolbens wird in den
Figuren 2a und 2b näher erläutert. -
Figur 2a zeigt einen Verstellpropeller 16, bei dem der Kolben 30 in einem Hydraulikzylinder 32 innerhalb der Nabe 18 angeordnet ist. Beaufschlagt der Druckwasserverteiler 26 ein erstes Teilvolumen 34 des Hydraulikzylinders 32, so vergrößert sich der Einstellwinkel ε. Beaufschlagt der Druckwasserverteiler 26 ein zweites Teilvolumen 36, so verkleinert sich der Einstellwinkel ε. Diese Art der Betätigung des Verstellpropellers 16 gehört für eine Beaufschlagung der Teilvolumina 34, 36 mit Öl zum Stand der Technik und wird daher nicht weiter erläutert. Der Kolben 30 ist aus korrosionsbeständigem Material hergestellt, beispielsweise Bronze und/oder korrosionsbeständigem Stahl. -
Figur 2b zeigt eine alternative Ausführungsform eines Verstellpropellers 16, bei der der Hydraulikzylinder 32 und damit der Kolben 30 außerhalb der Nabe 18 angeordnet sind. Der Kolben 30 ist mit einer Kolbenstange 38 verbunden, die durch eine Welle 40 verläuft und die Propellerblätter 20 betätigt. - Der Schiffsantrieb 12 umfasst einen Kühler 42, mittels dem das Hydraulikfluid 29 gekühlt werden kann. Der Kühler 42 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Wärmetauscher, der mit dem Kühlwasserkreislauf des Schiffes 10 verbunden ist.
- Mittels einer Temperaturüberwachungsvorrichtung in Form eines Temperatursensors 44 wird kontinuierlich die Temperatur T des Hydraulikfluids ermittelt. Übersteigt die Temperatur 60°C, so wird ein Warnsignal ausgegeben, beispielsweise in Form eines elektrischen Signals, das die Tatsache kodiert, dass die Temperatur zu hoch ist. Alternativ bewirkt das Warnsignal, dass der Kühler 42 das Hydraulikfluid stärker kühlt. So wird eine Erwärmung auf eine Temperatur deutlich über 60°C verhindert und Dampfblasen vermieden.
-
Figur 3 zeigt den Aufbau der Nabe 18 im Querschnitt mit mehr Details. Zu erkennen ist eine Umsetzvorrichtung 41, mittels der die Längs-Bewegung des Kolbens 30 in die Drehbewegung der Propellerblätter 20 umgesetzt wird. - Das Hydraulikfluid 29 hat in der vorliegenden Ausführungsform die folgende Zusammensetzung: 15 Gewichtsprozent Ethylenglykol als Frostschutzmittel und 85 Gewichtsprozent Wasser. Bei dem Wasser kann es sich beispielsweise um Trinkwasser oder Meerwasser handeln.
-
- 10
- Schiff
- 12
- Schiffsantrieb
- 14
- Antriebsmotor
- 16
- Verstellpropeller
- 18
- Nabe
- 20
- Propellerblatt
- 22
- Verstellvorrichtung
- 24
- Ruderanlage
- 26
- Druckwasserverteiler
- 28
- Druckwasserquelle
- 29
- Hydraulikfluid, Druckwasser
- 30
- Kolben
- 32
- Hydraulikzylinder
- 34
- erstes Teilvolumen
- 36
- zweites Teilvolumen
- 38
- Kolbenstange
- 40
- Welle
- 41
- Umsetzvorrichtung
- 42
- Kühler
- 44
- Temperatursensor
- ε
- Einstellwinkel
Claims (2)
- Schiffsantrieb mit(i) zumindest einem Antriebsmotor (14) und(ii) einem Verstellpropeller (16), der von dem zumindest einen Antriebsmotor (14) angetrieben ist, und(a) eine Nabe (18),(b) zumindest ein Propellerblatt (20) und(c) eine hydraulischen Verstellvorrichtung (22) zum Verstellen der Steigung des zumindest einen Propellerblatts (20) mittels eines hydrophilen Hydraulikfluids (29), das überwiegend aus Wasser besteht, aufweist,(iii) wobei die hydraulische Verstellvorrichtung (22)gekennzeichnet durch- einen Kolben (30), der so mit dem zumindest einen Propellerblatt (20) gekoppelt ist, dass das Propellerblatt (20) durch Beaufschlagen des Kolbens (30) mit Hydraulikfluid betätigbar ist, und- eine Umsetzvorrichtung (41) zum Umsetzen einer Längs-Bewegung des Kolbens (30) in eine Drehbewegung des zumindest einen Propellerblatts (20) umfasst,(d) einen Kühler (42) zum Kühlen des Hydraulikfluids (29) und(e) eine Temperaturüberwachungsvorrichtung zum Erfassen einer Temperatur des Hydraulikfluids (29), die eingerichtet ist zum Abgeben eines Warnsignals, wenn die Temperatur über 60°C beträgt,(f) wobei der Kolben (30) aus korrosionsbeständigem Material hergestellt ist und(g) die Umsetzvorrichtung (41) selbstschmierend ausgebildet ist und(h) das zumindest eine Propellerblatt (20) selbstschmierend an der Nabe (18) gelagert ist.
- Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass. das Hydraulikfluid (29) ein Frostschutzmittel umfasst, sodass ein Gefrierpunkt höchstens -4°C beträgt.
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