DE102008037114A1 - Schiffantriebssystem zum Antrieb eines Schiffes, insbesondere eines Doppelendschiffes, in zwei unterschiedlichen Fahrtrichtungen und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Eine erste Vortriebseinheit dient zum Vortrieb des Schiffes in einer ersten Fahrtrichtung und eine zweite Vortriebseinheit zum Vortrieb des Schiffes in einer zweiten, zu der ersten Fahrtrichtung unterschiedlichen Fahrtrichtung des Schiffes. Eine erste Antriebseinheit umfasst eine erste Wellenanlage, eine erste Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb der ersten Wellenanlage, eine mit der ersten Wellenanlage mechanisch gekoppelte erste elektrische Maschine und eine erste Kupplungseinheit zur mechanischen Kopplung der ersten Wellenanlage mit der ersten Vortriebseinheit. Eine zweite Antriebseinheit umfasst eine zweite Wellenanlage, eine zweite Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb der zweiten Wellenanlage, eine mit der zweiten Wellenanlage mechanisch gekoppelte zweite elektrische Maschine und eine zweite Kupplungseinheit zur mechanischen Kopplung der zweiten Wellenanlage mit der zweiten Vortriebseinheit. Über eine elektrische Vergbindung zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine kann die erste elektrische Maschine im Motorbetrieb mit von der zweiten elektrischen Maschine im Generatorbetrieb erzeugter elektrischer Leistung versorgt werden und umgekehrt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schiffantriebssystem zum Antrieb eines Schiffes, insbesondere eines Doppelendschiff, in zwei unterschiedlichen Fahrtrichtungen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Schiffantriebsystems gemäß Anspruch 2.
• Im Folgenden wird ein Antriebssystem vorgeschlagen, das sich zum Antrieb eines Schiffes in zwei unterschiedlichen Fahrtrichtungen und somit insbesondere für die Installation auf großen Doppelendschiffen wie z. B. Doppelendfähren eignet. Dabei kann berücksichtigt werden, dass sich in derartigen Schiffen aufgrund der Schiffslänge oftmals ein mittschiffs angeordneter Maschinenraum mit in beide Richtungen führenden Wellenleitungen ungeeignet ist. Vielmehr können mit der Erfindung zwei symmetrische Maschinenräume in der Nähe der Schiffsenden eingerichtet werden.
• Hauptsächlich kann dabei vermieden werden, dass in beiden Maschinenräumen jeweils die gesamte für den Vortrieb in einer Fahrtrichtung benötigte Antriebsleistung in Form von einer oder mehreren Verbrennungskraftmaschinen, üblicherweise Dieselmotoren, installiert werden muss, da in solchem Fall auf dem Schiff die doppelte benötigte Antriebsleistung vorgehalten wird und dadurch hohe Kosten, vor allem bei der Investition, entstehen.
• Eine weitere Möglichkeit, die Installation der doppelten benötigte Antriebsleistung zu vermeiden, bestände darin, in einem mittschiffs angeordneten Maschinenraum vermittelst mehrerer Dieselgeneratoren die Antriebsleistung in elektrischer Form zu erzeugen, die dann von elektrischen Fahrmotoren an die betreffende Propellerwelle weitergegeben wird. In diesem Fall ist zwar die installierte Antriebsleistung nicht doppelt vorhanden, allerdings werden insgesamt drei Maschinenräume benötigt und es müssen für die gesamte umgesetzte Leistung elektrische Wandlungsverluste in Kauf genommen werden.
• Das mit den Ansprüchen 1 und 2 beanspruchte und im Folgenden in einer vorteilhaften Ausgestaltung beschriebene Schiffantriebssystem bzw. Verfahren zum Betreiben eines derartigen Schiffantriebssystems vermeidet die oben beschriebenen Nachteile bzw. erzielt die beschriebenen Vorteile.
• Es werden im Bereich der Schiffsenden zwei identische Maschinenräume eingerichtet, deren prinzipieller Aufbau in den 1–4 zu sehen ist. Dabei zeigen:
• 1 die in Bezug auf die Fahrtrichtung des Schiffes vordere Maschinenanlage mit reiner Stromerzeugung,
• 2 die in Bezug auf die Fahrtrichtung des Schiffes achterliche Maschinenanlage mit dieselelektrischem Kombibetrieb,
• 3 eine Maschinenanlage im reinen Dieselbetrieb,
• 4 eine Maschinenanlage im reinen Elektrobetrieb.
• Wie 1 zeigt, ist eine erste Verbrennungskraftmaschine in Form eines Hauptdieselmotors (1), der etwa die halbe Antriebsleistung für Dienstgeschwindigkeit bereitstellt, über eine Welle mit einer (im laufenden Betrieb) schaltbaren Kupplung (K1) mit einer ersten elektrischen Maschine (2) verbunden, die ihrerseits ebenfalls etwa die halbe Antriebsleistung sowohl generieren als auch motorisch umsetzen kann. Jenseits befindet sich ein einstufiges Getriebe (3), das mit der elektrischen Maschine durch eine weitere schaltbare Kupplung (K2) verbunden ist. Die Großradwelle des Getriebes letztlich führt nach außenbords zu einer ersten Vortriebseinheit in Form eines Verstellpropellers (4), der für die gesamte Antriebsleistung ausgelegt ist. Außerdem befindet sich in jedem Maschinenraum ein herkömmlicher Dieselgeneratorsatz (5) mit relativ kleiner Nennleistung.
• Zunächst werde nun beschrieben, wie der Fahrzustand unter Dienstgeschwindigkeit realisiert wird. Die Schaltung in 1 repräsentiert den in Fahrtrichtung vorn liegenden Maschinenraum. Dort läuft der Dieselmotor (1) unter seiner Nennleistung und treibt über die geschlossene Kupplung (K1) die als Generator betriebene elektrische Maschine (2) an, die ihrerseits über den geschlossenen Schalter (S) mit dem Bordnetz verbunden ist und somit elektrische Leistung einspeist. Die Kupplung (K2) ist geöffnet, so dass das Getriebe (3) und der Propeller (4) nicht mechanisch angetrieben werden. Die Flügel des Propellers sind in Segelflugstellung, so dass sich dieser Strang im Stillstand befindet.
• In 2 ist der in Fahrtrichtung achtern liegende Maschinenraum mit einer zweiten Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors zu sehen. Der Dieselmotor (1) läuft ebenfalls unter seiner Nennleistung, die über die geschlossene Kupplung (K1) in den Wellenstrang geleitet wird. Die elektrische Maschine (2) läuft im motorischen Betrieb, indem sie die von der vorderen Maschinenanlage erzeugte elektrische Leistung vom Bordnetz aufnimmt. Sowohl die dieselmechanische, als auch die elektromechanische Leistung, die sich zur gesamten erforderlichen Antriebsleistung summieren, werden über die geschlossene Kupplung (K2) in das Getriebe geführt, dort übersetzt und zu einer zweiten Vortriebseinheit in Form eines Propellers (4) geleitet, der seinerseits das Schiff antreibt.
• Hochfahren der Anlage
• Das Hochfahren aus dem Stillstand bis zum Nennbetrieb setzt sich aus dem Starten der Antriebe und der anschließenden Lastaufnahme zusammen.
• Zunächst wird der vordere Dieselmotor mit der eingekuppelten elektrischen Maschine angelassen. Anschließend wird die elek trische Maschine mit dem Netz synchronisiert und, zunächst lastfrei, aufgeschaltet. Der achterliche Strang kann auf drei verschiedene Weisen hochgefahren werden: 1. Der Dieselmotor wird alleine angelassen, (K1) und (K2) sind geöffnet. Anschließend wird zunächst die elektrische Maschine (unter geöffneter Netzverbindung) durch Schließen von (K1) und zuletzt der Rest des Stranges durch Schließen von (K2) beschleunigt. 2. Dieselmotor und elektrischer Rotor werden mit geschlossener Kupplung (K1) gemeinsam gestartet, anschließend Getriebe und Propeller durch Schließen von (K2) eingekuppelt. 3. Beide Kupplungen (K1) und (K2) werden im Stillstand geschlossen und dann der gesamte Strang über den Dieselmotor gestartet. Bei der Wahl des Verfahrens ist folgendes zu beachten: Lösung 1 ist für den Dieselmotor sehr schonend, weil nicht die gesamte Masse des Wellensystems einschließlich elektrischem Rotor, Getrieberädern und Propeller auf einmal beschleunigt werden muss. Lösung 3 hingegen schont die Kupplungen, da sie im Stillstand schließen und somit keine Schaltarbeit (Beschleunigen auf Synchrondrehzahl) aufgebracht werden muss. Lösung 2 stellt eine Kompromissvariante dar. Generell sind Dieselmotoren jedoch darauf ausgelegt, dass sie in ungekuppelten Systemen angelassen werden können, wobei jedesmal nebst Motor der ganze Antriebsstrang beschleunigt werden muss, so dass Lösung 3 als die geeignete angesehen werden kann. Nun kann auch die achterliche elektrische Maschine mit dem Netz synchronisiert und aufgeschaltet werden.
• Anschließend wird der Antriebsstrang unter Last genommen, indem beide Dieselmotoren synchron und unter konstanter Drehzahl ihr Drehmoment erhöhen.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, zunächst beide Sätze zu starten, wie oben beschrieben. Die achterliche elektrische Maschine bleibt jedoch zunächst vom Netz getrennt. Zur Beschleunigung des Schiffes wird nun zunächst der achterliche Dieselmotor verwendet, wobei die elektrische Maschine frei mitdreht. In diesem Zustand kann die Beschleunigung auf der Kombinatorkurve erfolgen, ein Konstantdrehzahlbetrieb ist nicht erforderlich. Wenn der Dieselmotor seine Nennleistung bei Nenn(-netz-)drehzahl erreicht hat, wird die elektrische Maschine aufgeschaltet, um vom vorderen Strang Leistung aufzunehmen und der Wellenleitung zuzuführen, was dann im Konstantdrehzahlmodus geschieht.
• Eine dritte Möglichkeit ist gegeben, wenn die elektrischen Maschinen (2) über eine gemeinsame, aber vom übrigen Bordnetz getrennte Sammelschiene verfügen. In dem Fall kann die elektrische Leistung des vorderen Stranges ständig auf den achterlichen Strang aufsummiert werden, ohne auf einen Konstantdrehzahlbetrieb angewiesen zu sein oder eine Frequenzumrichterschaltung zu benötigen. Die einzige Voraussetzung hierfür ist, dass der vordere und der achterliche Strang auf dieselbe (aber variable) Drehzahl synchronisiert sind.
• Alle drei erwähnten Hochfahrvarianten sind dank des Verstellpropellers problemlos möglich.
• Aufstoppen des Schiffes
• Wenn der in aktueller Fahrtrichtung vorne liegende Propeller zum Aufstoppen des Schiffes in Betrieb genommen werden soll, so kann das auf zwei Weisen erfolgen. Dabei wird davon ausgegangen, dass der vordere Dieselmotor läuft und dessen elektrische Maschine noch am Netz befindlich ist, um den achterlichen Strang mit Leistung zu versorgen. Da diese Leistung am achterlichen Strang vorläufig nicht mehr gebraucht wird, kann die vordere elektrische Maschine vorerst vom Netz getrennt werden. Nun kann die Kupplung (K2) geschlossen und die Wellenleitung mit Propeller beschleunigt werden, was der Schaltung in 3 entspricht. Die andere Möglichkeit soll die Kupplung (K2) schonen. Zu diesem Zwecke wird das System Propeller-Welle-Getriebe dadurch beschleunigt, dass die Flügelsteigung am Propeller in den Turbinenquadranten verstellt wird, bis die Drehzahl der Ritzelwelle synchron zur Motordrehzahl ist und (K2) ohne Schaltarbeit geschlossen werden kann. Natürlich sind beliebige Zwischenlösungen möglich. Nach dem Einkuppeln wird gleichzeitig die Motorleistung wieder aufgenommen und die Flügelstellung in den Antriebsquadranten mit positiver Schubrichtung gebracht, so dass Bremsschub erzeugt wird.
• Vorteile Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Schiffantriebsystems bzw. Betriebverfahrens können gegenüber anderen Schaltungen folgende Vorteile genutzt bzw. Probleme umgangen werden:
  Die elektrischen Maschinen müssen für den motorischen Betrieb nicht aus dem Stillstand unter Last hochgefahren werden. Sie werden stattdessen lastfrei durch die Dieselmotoren beschleunigt und anschließend ans Netz geschaltet. Das ermöglicht die Einsparung kostenaufwändiger Leistungselektronik und erhöht wesentlich die Lebensdauer der elektrischen Maschinen.
• Bei kleinen erforderlichen Antriebsleistungen kann der Antrieb ausschließlich dieselmechanisch erfolgen. Die Schaltung der achterlichen Anlage für diesen Fall ist in 3 dargestellt. Elektrische Wandlungsverluste werden in diesem Bereich vermieden. Bei größeren Leistungen müssen nur für den Anteil oberhalb der halben Antriebsleistung elektrische Wandlungsverluste in Kauf genommen werden. Damit ist der Gesamtwirkungsgrad gegenüber einer Anlage mit ausschließlich elektrischen Fahrmotoren deutlich höher.
• Für erforderliche Antriebsleistungen zwischen halber und voller Gesamtleistung kann sogar in Erwägung gezogen werden, den vorderen Hauptdieselmotor abzustellen und einen oder beide Hilfsdieselmotoren für die nötige Stromerzeugung zu verwenden, wenn der Bordstrombedarf das zulässt. Im Gegenzug kann der entsprechende Bordstrombedarf auch nur durch den vorderen Hauptdieselmotor mitgeneriert werden und folglich die Hilfsdieselmotoren abgestellt werden. Die Schaltung kann dann hinsichtlich der besten Wirkungsgrade im Nennpunkt der betreffenden Maschine optimiert werden.
• Gegenüber der Stromerzeugung durch einen am Getriebe ange setzten PTO (Power Take Off) wird hier die Stromerzeugung direkt und damit ohne Getriebeverluste durchgeführt, was weiter zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad beiträgt.
• Im Gegensatz zu dem rein dieselmechanischen Konzept, das in der Regel mindestens zwei Dieselmotoren pro Ende sowie mindestens einen PTO/PTI (Power Take Off/Power Take In) aufweist, kommt bei dem hiesigen Konzept ein einfaches Getriebe zum Einsatz, das lediglich aus einer Stirnradpaarung und nur zwei austretenden Wellen besteht. Im anderen Fall wären mindestens vier Wellendurchtritte und entsprechend viele Radpaarungen erforderlich.
• Durch die relativ kurze Baulänge der elektrischen Maschine sowie die Möglichkeit der hintereinander liegenden Anordnung beider Maschinen (E-Maschine und Dieselmotor) entsteht ein kurzer, aber vor allem sehr schlanker Maschinenraum, der sich gut in die Schiffsenden einpassen lässt.
• Durch die Möglichkeit, den aktiven Antriebsstrang sowohl nur dieselmechanisch als auch nur elektromechanisch anzutreiben, ist die Antriebsanlage vollständig redundant ausgeführt. Das wird in diesem Fall durch das Vorhandensein der beiden Schaltkupplungen erreicht, siehe 4. Im Falle eines Schadens am achterlichen Hauptdieselmotor wird Kupplung (K1) geöffnet und der Antriebsstrang elektrisch angetrieben.
• Durch die Möglichkeit, sowohl mit beiden Hauptdieselmotoren als auch mit den zusätzlich installierten kleineren Hilfsdieselmotoren Strom für das Bordnetz zu erzeugen, ist auch die Stromerzeugung mit einer mehrfachen Redundanz sichergestellt.
• Es muss dieselmotorisch nur die einfache benötigte Leistung vorgehalten werden es werden dabei nur zwei identische Maschinenräume benötigt. Andere Konzepte sind entweder mit der doppelten erforderlichen Leistung ausgestattet oder weisen einen mittschiffs angeordneten dritten Maschinenraum auf.

Claims (3)

1. Schiffantriebssystem zum Antrieb eines Schiffes, insbesondere eines Doppelendschiffes, in zwei unterschiedlichen Fahrtrichtungen, umfassend – eine erste Vortriebseinheit zum Vortrieb des Schiffes in einer ersten Fahrtrichtung und eine zweite Vortriebseinheit zum Vortrieb des Schiffes in einer zweiten, zu der ersten Fahrtrichtung unterschiedlichen, insbesondere entgegen gesetzten, Fahrtrichtung des Schiffes, – eine erste Antriebseinheit mit einer ersten Wellenanlage, einer ersten Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb der ersten Wellenanlage, einer mit der ersten Wellenanlage mechanisch gekoppelten ersten elektrischen Maschine und einer ersten Kupplungseinheit zur mechanischen Kopplung der ersten Wellenanlage mit der ersten Vortriebseinheit, wobei die erste elektrische Maschine sowohl als von der ersten Verbrennungskraftmaschine angetriebener Generator als auch als Motor zum Antrieb der ersten Wellenanlage betreibbar ist, – eine zweite Antriebseinheit mit einer zweiten Wellenanlage, einer zweiten Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb der zweiten Wellenanlage, einer mit der zweiten Wellenanlage mechanisch gekoppelten zweiten elektrischen Maschine und einer zweiten Kupplungseinheit zur mechanischen Kopplung der zweiten Wellenanlage mit der zweiten Vortriebseinheit, wobei die zweite elektrische Maschine sowohl als von der zweiten Verbrennungskraftmaschine angetriebener Generator als auch als Motor zum Antrieb der zweiten Wellenanlage betreibbar ist, – eine elektrische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine, insbesondere über ein Bordnetz des Schiffes, zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine im Motorbetrieb mit von der zweiten elektrischen Maschine im Generatorbetrieb erzeugter elektrischer Leistung und zur Versorgung der zweiten elektrischen Maschine im Motorbetrieb mit von der ersten elektrischen Maschine im Generatorbetrieb erzeugter elektrischer Leistung.
2. Verfahren zum Betrieb des Schiffsantriebssystems nach Anspruch 1, bei dem zum Antrieb des Schiffes in der ersten Fahrtrichtung – die erste Wellenanlage mechanisch mit der ersten Vortriebseinheit gekoppelt ist, – die zweite Wellenanlage mechanisch von der zweiten Vortriebseinheit entkoppelt ist, – die erste elektrische Maschine als Motor betrieben wird und zusammen mit der ersten Verbrennungskraftmaschine die erste Wellenanlage antreibt, – die zweite elektrische Maschine als Generator betrieben wird, der von der zweiten Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, – die als Motor betriebene erste elektrische Maschine mit elektrischer Leistung betrieben wird, die von der als Generator betriebenen zweiten elektrischen Maschine erzeugt wird, und bei dem zum Antrieb des Schiffes in der zweiten Fahrtrichtung – die erste Wellenanlage mechanisch von der ersten Vortriebseinheit entkoppelt ist, – die zweite Wellenanlage mechanisch mit der zweiten Vortriebseinheit gekoppelt ist, – die zweite elektrische Maschine als Motor betrieben wird und zusammen mit der zweiten Verbrennungskraftmaschine die zweite Wellenanlage antreibt, – die erste elektrische Maschine als Generator betrieben wird, der von der ersten Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, – die als Motor betriebene zweite elektrische Maschine mit elektrischer Leistung betrieben wird, die von der als Generator betriebenen ersten elektrischen Maschine erzeugt wird.
3. Doppelendschiff, insbesondere Doppelendfähre, mit einem Schiffantriebssystem nach Anspruch 1.