DE10102740A1

DE10102740A1 - Antriebe für Schiffe

Info

Publication number: DE10102740A1
Application number: DE10102740A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hartig; Stefan Richter; Wolfgang Rzadki; Armin Drefs; Reinhold Reuter; Manfred Heer; Stephan Brabeck
Original assignee: Schottel GmbH and Co KG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2002-08-01
Also published as: WO2002057133A2; AR032796A1; WO2002057133A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für Schiffe, insbesondere Marineschiffe, mit wenigstens einem Ruderpropellerantrieb (1), wobei der Ruderpropellerantrieb aus einem drehbarem, eine Energieübertragungseinrichtung aufweisenden Azimuth-Modul und einem an diesem gondelartig angeordneten Propulsions-Modul besteht, welches mit einem elektrischen Antriebsmotor für einen oder zwei Propeller versehen ist, wobei der Ruderpropellerantrieb (1) elastisch, insbesondere schocksicher, gelagert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für Schiffe, insbesondere Marineschiffe.

An Antriebe für Schiffe, insbesondere Marineschiffe und der gleichen, werden höchste Anforderungen hinsichtlich Energie erzeugung, Energieübertragung und an den Antriebsteil zur Er zeugung eines Vortriebs des Schiffes gestellt, wobei insbe sondere die Integration von Antrieb, Energieerzeugung und Energieübertragung von großem Interesse ist, wie beispiels weise aus dem Artikel von Sadler: "Trends im Überwasser- Marineschiffbau", in Marine Forum, Juli/August 1999, Seite 8 bis 29, bekannt.

Bisher werden auf Marineschiffen zur Erzeugung elektrischer Energie elektrisch erregte Synchrongeneratoren verwendet, welche von Dieselmotoren angetrieben werden. Die Energieüber tragung erfolgt in Wechselstromtechnik. Der Antrieb erfolgt mittels Dieselmotoren, Gasturbinen, Elektromotoren oder mit tels einer Kombination derselben, wobei diese über eine Welle einen oder mehrere Propeller antreiben, und für den Vortrieb des Schiffes sorgen. Dabei werden sowohl Festpropeller als auch Verstellpropeller eingesetzt. Üblicherweise werden die Antriebe mitschiffs angeordnet.

Von Nachteil bei den bisher bekannten Antrieben ist zum ei nen, dass diese nicht bzw. nur bedingt geräuscharm betrieben werden können, insbesondere da die Antriebe zur Erzeugung elektrischer Energie in der Regel im Betrieb äußerst ge räusch- und strahlungsintensiv sind, also eine hohe akusti sche und elektromagnetische Signatur aufweisen, was insbeson dere bei Marineschiffen von Nachteil ist, da diese so einfa cher detektierbar sind. Ein Schiff, insbesondere ein Marine schiff, ist ohne Signatur nicht erkennbar und somit keiner Bedrohung durch Angriffe ausgesetzt. Da ein Schiff ohne Rück wirkungen auf sein Umfeld nicht denkbar ist, weist dieses ei ne Signatur auf und ist entsprechend für moderne Waffensyste me, insbesondere sogenannte intelligente Waffensysteme, de tektierbar. Im ungünstigsten Fall kann ein Schiff über sein Signaturprofil eindeutig identifiziert und entsprechend ange peilt und erfolgswahrscheinlich bekämpft werden. Die Signa turreduzierung und insbesondere die Eliminierung sogenannter "Fingerabdrücke" ist somit bei Marineschiffen von zentraler Bedeutung. Signaturen sind Beeinflussungen bzw. Rückwirkungen des Schiffes auf das natürliche, ungestörte Umfeld. Solche Beeinflussungen sind wesentlich für das magnetische, thermi sche und/oder akustische Umfeld und verändern sich beim Ein satz der entsprechenden Antriebe. Bei der akustischen Signa tur werden als Hauptgeräuschquellen die üblicherweise perma nentmagneterregten Synchronmotoren und die Wälzlagerung der Antriebe angesehen. Der Körperschall wird einerseits über die Welle zu den Propellern übertragen und in Wasserschall umge wandelt, andererseits wird der Körperschall über die Wälzla geraußenringe an das Gehäuse, beispielsweise das Gondelgehäu se eines Ruderpropellerantriebs, übertragen und als Wasser schall abgestrahlt. Darüber hinaus wirken tangentiale Kräfte, angeregt durch Stromoberschwingungen, auf den Stator der Syn chronmaschine und übertragen den daraus resultierenden Kör perschall auf das Gehäuse, so dass die tangentialen Kräfte ebenfalls als Wasserschall abgestrahlt werden.

Darüber hinaus stellt die Versorgung von Schiffen mit elek trischer Energie und die Energieverteilung ein Problem dar, da sowohl Gleich- als auch Wechselstromverbraucher, zum einen elektrische Antriebe zur Erzeugung des Vortriebs des Schif fes, zum anderen Waffensysteme, Funkgeräte und dergleichen, mit unterschiedlichen Spannungen und Leistungsaufnahmen mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, so dass auf Schiffen üblicherweise verschiedene Energieversorgungsnetze bestehen. Von weiterem Nachteil ist dabei, dass bei Ausfall eines dieser Energieversorgungsnetze die Funktionsfähigkeit des Schiffes nicht mehr gegeben ist.

Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für Schiffe, insbesondere Marineschiffe, bereitzustellen, welcher äußerst geräuscharm mit geringstmöglicher Signatur und hohem Wir kungsgrad betreibbar und dabei an unterschiedlichste Be triebszustände anpassbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung ein Antrieb für Schiffe, insbesondere Marineschif fe, bereitgestellt, wobei der Ruderpropellerantrieb aus einem drehbaren, eine Energieübertragungseinrichtung aufweisenden Azimuth-Modul und einem an diesem gondelartig angeordneten Propulsions-Modul besteht, welches mit einem elektrischen An triebsmotor für einen oder zwei Propeller versehen ist, da durch gekennzeichnet, dass der Ruderprollerantrieb (1) elas tisch, insbesondere schocksicher, gelagert ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ma schine des Ruderpropellerantriebs geräuschgedämpft ausge führt. Vorteilhafterweise aktiv und/oder passiv, wozu das Ge häuse der Maschine in einer passiven Ausgestaltung in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Zwischenraum mit Wasser ge füllt ist, so dass das Gehäuse der Maschine von einem Wasser mantel umgeben ist. Dadurch ist der Ruderpropellerantrieb äu ßerst geräuscharm, was eine Reduzierung der Akustiksignatur sowie aufgrund der durch den Wassermantel gegebenen Abschir mung eine Reduzierung der elektromagnetischen Signatur mit sich bringt.

Zur weiteren Reduzierung der elektromagnetischen Signatur um fasst der Antrieb vorteilhafter Weise als aktive Geräusch dämpfung einen elektrischen Schwingungsgenerator und/oder ei nen Magnetfeldgenerator zur Kompensation der elektromagneti schen Strahlung des Antriebs.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind am Maschi nengehäuse Piezogeräuschfedern, -platten oder andere Geräu scheerzeuger zur Kompensation oder Nachbildung von Maschinen geräuschen angeordnet. Vorteilhafter Weise sind Welle, Ge triebe und Wellenlager, welche üblicherweise Körperschall in die Schiffsstruktur und damit ins Wasser übertragen, mecha nisch entkoppelt. Aufgrund der fehlenden, starren mechani schen Verbindung zwischen Schallerzeuger, also dem Motor bzw. der Maschine des Antriebs, und der Schiffsstruktur entfällt dieser Schallweg, so dass die akustische Signatur weiter re duziert ist. Die Geräuschesignatur des Schiffes ist frei ge staltbar, vorteilhafterweise in Abhängigkeit der Schallerzeu ger, der Dämpfung und der Stromrichteransteuerung. So lassen sich nicht nur die elektromagnetische und die akustische Sig natur des Schiffes reduzieren, sondern auch beeinflussen, vorzugsweise zur Nachahmung anderer Schiffe oder zur Täu schung, insbesondere bei Marineschiffen.

Vorteilhafterweise weist der Ruderpropellerantrieb wenigstens ein Brennstoffzellenmodul zur Erzeugung elektrischer Energie auf. Die Verwendung von Brennstoffzellenmodulen ermöglicht einen besonders geräuscharmen Betrieb. Ein Brennstoffzellen modul besteht gemäß der vorliegenden Erfindung aus miteinan der verschalteten Brennstoffzellen. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Gleichstromnetzwerk, z. B. vier Brennstoffzellenmodule mit jeweils 4,5 MW auf, wo bei jedes Brennstoffzellenmodul etwa aus dreißig miteinander verschalteten Brennstoffzellen mit jeweils ca. 0,15 MW zusam mengesetzt ist.

Brennstoffzellen zeichnen sich durch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, ein gutes Teillastverhalten, niedrige Schad stoffemissionen sowie äußerst geringe Geräuschentwicklungen aus und sind daher sowohl für dezentrale als auch zentrale Anwendungen, wie sie für das erfindungsgemäße elektrische An triebssystem für Schiffe gegeben sind, geeignet.

Vorteilhafterweise weist der Antrieb einen Gleichstromzwi schenkreis zur Ankopplung des Bordnetzwerkes des Schiffes an das Brennstoffzellenmodul auf. Vorteilhafterweise erfolgt die Energieübertragung sowohl von einem Gleichstromnetzwerk als auch von einem Wechselstromnetzwerk des Schiffes zu dem Gleichstromzwischenkreis und damit zu dem Bordnetzwerk über Gleichstromleitungen. Seitens des Wechselstromnetzwerkes wer den dazu Wechselstrom-/Gleichstrom-Umformer eingesetzt.

Seitens des elektrischen Bordnetzes sind der Erfindung ent sprechend Umformer eingesetzt, die die dem Bordnetz zur Ver fügung gestellte elektrische Energie in Wechselspannung um formen, da in der Regel über das Bordnetzwerk zu versorgende Verbraucher Wechselstromverbraucher sind.

Vorteilhafterweise sind die Lager des Rotors des Sychronmo tors, oder ggf. eines Asynchronmotors des Antriebs ebenfalls mit aktiven und/oder passiven Schalldämpfungselementen ver sehen, um die Signatur des Schiffes zu reduzieren und/oder Signaturen anderer Schiffe nachzuahmen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Antrieb ein eigenständig und unabhängiges Notener giesystem, vorzugsweise bestehend aus wenigstens einer Brenn stoffzelle und/oder wenigstens einem Hilfsgenerator, auf, welches sowohl zum Manövrieren des Schiffes, beispielsweise im Bereich eines Hafens oder dergleichen, als auch als Notan trieb für das Schiff einsetzbar ist, beispielsweise bei Aus fall von Energieversorgungseinrichtungen für die Antriebe bei einem Treffer oder dergleichen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Konzept des Antrieb gemäß der vorliegenden Erfin- dung;

Fig. 2 in einer schematischen Seitenansicht die Lagerung und Anordnung eines Ruderpropellers und

Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt das Antriebskonzept eines Antriebssystem für Schiffe. Das elektrische Antriebssystem weist vier in Abhän gigkeit des Betriebszustandes voneinander unabhängig betreib bare Antriebe auf, zwei insbesondere im Heckbereich des Schiffs angeordnete Ruderpropellerantriebe 1 und zwei redun dant ausgebildete Wasserstrahlantriebe 2.

Die Ruderpropellerantriebe 1 beziehen ihre Energie aus einem Gleichspannungsnetz (SSB1), in einem Bereich von DC 1 . . . n kV. Wechselrichtereinheiten 3, bestehend aus HV-IGBT-Power-Cards und Dioden-Power-Cards formen die Gleichspannung in ein Wech selspannungssystem mit variabler Spannung und Frequenz um.

Jeder der beiden Ruderpropellerantriebe 1 besteht aus folgen den Komponenten:

- Stromversorgungsschrank
- Umrichter-Schrankgruppe mit Leistungsteil, Steuer- und Regelteil, Rückkühlanlage
- Azimuthsteuerung
- Azimuthantrieb
- Ruderpropeller

Vorteilhafterweise ist im Vorschiffbereich ein Not- und Ma növrierantrieb angeordnet, welcher beispielsweise auch als Ruderpropeller ausgebildet sein kann.

Dieser Ruderpropeller mit Motor 25 ist vorteilhaft einziehbar ausgebildet und schockgedämpft gelagert, so dass er äußerst geräuscharm ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Anordnung der Ruderpropeller antriebe außenbords des Schiffs. Der Ruderpropeller besteht aus einem sich drehbaren, die Energieübertragungseinrichtung aufweisenden Azimuth-Modul und einem an diesem gondelartig angeordneten Propulsions-Modul, das mit einem Antriebsmotor für einen Propeller versehen ist. Der Ruderpropeller, in der Praxis auch unter der Bezeichnung "SSP" bekannt, ist ein drehbarer Schiffsantrieb, der vorzugsweise im Bereich des Hecks eines Schiffes angeordnet ist und zugleich die Funktio nen Antrieb, Ruder und Vorschuberzeugung erfüllt. Die Ruder propeller 1 sind vorliegend an einer Tragstruktur 18 über ei nen Tragzylinder 21 befestigt. Mittels an der Tragstruktur 18 befestigter Hydraulik- oder Elektromotoren 22 sind die Ruder propeller verstellbar. Dabei sind die Ruderpropeller 1, wie anhand von Fig. 2 zu erkennen, mittels Schockdämpfer 19 und mehrschichtigen Metallmembranen 20 schockgelagert. Wie anhand von Fig. 3 zu erkennen, weisen die Ruderpropellerantriebe 5 flügelige CFK-Propeller 23 auf. Unterhalb des Tragzylinders 21 und oberhalb der Ruderpropeller 1 weisen diese jeweils ei ne Steuerklappe 24 auf, welche zusätzliche Steuermöglichkei ten durch Führung der Wasserströmung bereitstellt.

Die elektrische Energie wird vom im Schiff befindlichen Stromrichter 3 zu den im drehbaren Propulsionsmodul befindli chen Motor über Kabel und eine Schleifringeinheit übertragen. Die Schleifringeinheit erlaubt unbegrenzte Drehbewegungen. Die Verbindungen zwischen Stromrichter und Schleifring sowie zwischen Schleifring und Motoranschlussschienensystem sind mit Kabeln realisiert.

Die Komponenten der Umrichteranlage 3 sind in einer Schrank gruppe zusammengefasst und bestehen aus den Komponenten Lei stungsteil, Steuer- und Regelteil, Rückkühlanlage. Der Motor des Propellerantriebs 1 wird durch eine Wechselrichtereinheit 3 gespeist, die im Schiff angeordnet ist. Die Wechselrichter einheit 3 erzeugt ein in Frequenz, Amplitude und Phasenlage geregeltes Spannungssystem. Die Spannungsform wird jeweils dem aktuellen Bedarf des Motors und der übergeordneten Steue rung sowie der gewünschten Geräuschsignatur angepasst.

Das Hauptnetz des elektrischen Antriebssystems gemäß Fig. 1 wird für den Vortrieb des Schiffes verwendete und besteht aus einem Gleichspannungsnetzwerk DC 1 . . . n kV Netz und einem Wechselstromnetzwerk, vorliegend einem Mittelspannungsnetz mit 11 kV/60 Hz. Das Gleichstromnetzwerk befindet sich je zur Hälfte im Schiffssicherungsbereich 1 und 3 (SSB1 und SSB3). Die beiden Teilnetze sind durch eine Überleitung miteinander verbunden, welche im Normalbetrieb über entsprechende Schal terstellungen geschlossen gefahren wird.

Die elektrische Energie für den geräuscharmen Betriebszustand wird beispielsweise durch geräuscharmen Betriebszustand durch vier Brennstoffzellenmodule 17 bereitgestellt, die die Ruder propellerantriebe 1 über Wechselrichtereinheiten 3 mit elekt rischer Energie versorgen.

Wie in Fig. 1 des weiteren zu erkennen, versorgen die Brenn stoffzellen 7 über das Gleichstromnetzwerk z. B. den Notan trieb 25.

In Fig. 1 sind die verschiedenen Möglichkeiten zur Änderung der Signatur eines Schiffsantriebs mit den Buchstaben A, B, C und D gekennzeichnet In den Stromrichtern der Umformer 3 und der Ruderpropellerantriebe 1 lassen sich die mit A und B ge kennzeichneten aktiven Maßnahmen einsetzen, wozu elektrische Schwingungsgeneratoren und/oder Magnetfeldgeneratoren zur Kompensation der elektromagnetischen Strahlung des Ruderpro pellerantriebs 1 bzw. der Umformer 3 eingesetzt werden. Sei tens der mit C und D gekennzeichneten Stellen der Ruderpro pellerantriebe 1 lassen sich akustische Signaturen erzeugende mechanische Schwingungen aktiv und passiv vermeiden. Zur pas siven Eliminierung einer akustischen Signatur werden in den mit C und D gekennzeichneten Bereichen des Ruderpropelleran triebs 1 Dämpfungselemente eingesetzt, beispielsweise die mit D gekennzeichnete Startvorrichtung des Ruderpropellerantriebs 1 von einem Wasser- oder Ölmantel abgeschirmt. Als aktive Dämpfungseinrichtungen werden in den Bereichen C und D Gegenschwingungen erzeugt, vorliegend durch elektromagnetischer regte oder piezeoelektrischerregte Platten, welche Schwingun gen erzeugen, die die vom Propellerantrieb 1 erzeugten Schwingungen aktiv auslöschen. Darüber hinaus sind in den Be reichen C und D zur Eliminierung der Signatur der Propeller antriebe bzw. zur Änderung der Signatur der Ruderpropelleran triebe, insbesondere hinsichtlich der Nachahmung der Signatur anderer Schiffe oder dergleichen, Schallerzeugungseinrichtun gen angeordnet. Auf diese Art und Weise ist das in den Figu ren dargestellte Schiff nicht bzw. nicht als solches detek tierbar. Der in den Figuren dargestellte Antrieb für Schiffe stellt somit ein abgestimmtes Gesamtsystem bereit, welches äußerst geräuscharm und mit geringstmöglicher Signatur und hohem Wirkungsgrad betreibbar und an unterschiedlichste Be triebszustände anpassbar ist.

Claims

1. Antrieb für Schiffe, insbesondere Marineschiffe, mit we nigstens einem Ruderpropellerantrieb (1), wobei der Ruderpro pellerantrieb aus einem drehbaren, eine Energieübertragungs einrichtung aufweisenden Azimuth-Modul und einem an diesem gondelartig angeordneten Propulsions-Modul besteht, welches mit einem elektrischen Antriebsmotor für einen oder zwei Pro peller versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ruder propellerantrieb (1) elastisch, insbesondere schocksicher, gelagert ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Ruderpropellerantrieb einziehbar ausgebildet ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ruderpropeller an einer Tragstruktur über ein vorzugsweise hydraulisch betätigbares Steuerrohr befestigt ist, über welches der Ruderpropeller verstellbar und in das Schiff einziehbar ist, wobei der Ru derpropeller vorzugsweise im Bugbereich des Schiffes angeord net ist und als Notantrieb einsetzbar ist.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Brunnenplatte auf weist, die schockgedämpft mit der Schiffsstruktur verbunden ist.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor des Ruderpropel lerantriebs schockgedämpft ausgeführt ist, wozu der Motor des Ruderpropellerantriebs (1) vorzugsweise in einem Gehäuse an geordnet ist, welches eine mediumgefüllte, vorzugsweise was sergefüllte Ummantelung ausbildet.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er einen regel- und steuer baren elektrischen Akustikgenerator aufweist.

7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er einen steuer- und regel baren Magnetfeldgenerator aufweist.

8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine des Ruderpro pellerantriebs geräuschgedämpft ausgebildet ist, insbesondere durch Anordnung in einem Flüssigkeitsmantel.

9. Antrieb nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine des Ruderpropellers schockgedämpft ausgebildet ist, z. B. durch eine elastische Wellenlagerung und die Verwendung von Schockenergieabsorbern.

10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein eigenständiges und unabhängiges Notenergiesystem, vorzugsweise bestehend aus wenigstens einer Brennstoffzelle und/oder wenigstens einem Hilfsgenerator, aufweist, welches sowohl zum Manövrieren des Schiffes als auch als Notantriebssystem (25) für das Schiff einsetzbar ist.