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EP3494038B1 - Unterseebootantriebssystem - Google Patents

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Publication number
EP3494038B1
EP3494038B1 EP17717144.4A EP17717144A EP3494038B1 EP 3494038 B1 EP3494038 B1 EP 3494038B1 EP 17717144 A EP17717144 A EP 17717144A EP 3494038 B1 EP3494038 B1 EP 3494038B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
submarine
electric machine
drive shaft
transmission
propulsion system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP17717144.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3494038C0 (de
EP3494038A1 (de
Inventor
Burkhard Pinnekamp
Tobias Kleinheinz
Dietrich Wittekind
Franz HOPPE
Thomas Schmidbauer
Bernhard Vollmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renk GmbH
Original Assignee
Renk GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renk GmbH filed Critical Renk GmbH
Publication of EP3494038A1 publication Critical patent/EP3494038A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3494038C0 publication Critical patent/EP3494038C0/de
Publication of EP3494038B1 publication Critical patent/EP3494038B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/28—Arrangement of offensive or defensive equipment
    • B63G8/34—Camouflage
    • 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
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
    • 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
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
    • 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
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
    • B63H2023/245—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric with two or more electric motors directly acting on a single drive shaft, e.g. plurality of electric rotors mounted on one common shaft, or plurality of electric motors arranged coaxially one behind the other with rotor shafts coupled together

Definitions

  • the invention relates to a submarine propulsion system.
  • Submarine propulsion systems are already known in practice that have a drive shaft, a drive propeller coupled to the drive shaft, and an electric machine to drive the drive shaft.
  • the electric machine of a submarine propulsion system is coupled directly or immediately to the drive shaft.
  • the electric machine is used for both full-load operation and partial-load operation. Partial-load operation in particular results in efficiency disadvantages.
  • relatively large electric machines must be used.
  • GB 168,834 discloses a ship propulsion system which has two electric motors with different power ratings.
  • a ship propulsion system in which an electric machine is indirectly coupled to a drive shaft via a gearbox.
  • a gearbox By interposing a gearbox between the electric machine and the drive shaft, smaller, lighter and more cost-effective electric machines can be used, especially since the electric machine can then be operated at a higher speed than the required speed of the drive shaft or the drive propeller driven by the drive shaft.
  • the present invention is based on the object of creating a novel submarine propulsion system.
  • a main drive having at least one first electrical machine is designed for full-load operation and is or can be coupled to the drive shaft on the drive side
  • an additional drive having at least one second electrical machine is designed for partial-load operation for creeping and/or diving of the submarine and is also coupled or can be coupled to the drive shaft on the drive side.
  • the submarine drive system therefore has at least two electrical machines.
  • the or each first electrical machine is designed for full-load operation and is used in full-load operation and below.
  • the or each second electrical machine is designed for partial-load operation and is used in partial-load operation. In this way, efficiency disadvantages in partial-load operation can be avoided by the or each second electrical machine specially adapted to partial-load operation.
  • the or each first electrical machine designed for full-load operation is or can be coupled indirectly or indirectly to the drive shaft on the drive side via a first gear
  • the or each second electrical machine designed for partial-load operation is or can be coupled directly or immediately or indirectly or indirectly or indirectly via the first gear or indirectly or indirectly via a second gear to the drive shaft on the drive side.
  • the or every second electrical machine is mounted or supported on the first gear and is supported together with the or every first electrical machine and the first gear on a foundation of the submarine.
  • an elastic compensating coupling is preferably connected between an output of the first gear and a thrust bearing of the drive shaft. This first variant is particularly suitable for submarine drive systems.
  • the or each second electrical machine is supported on a foundation of the submarine directly or indirectly via the second gear unit, independently of the or each first electrical machine and the first gear unit.
  • the second variant of the invention is also particularly suitable for submarine propulsion systems, with the second variant of the invention having advantages in terms of the installation space required.
  • an elastic compensating coupling is preferably connected between the second electric machine or an output of the second transmission and a thrust bearing or axial bearing of the drive shaft.
  • the elastic compensating coupling can be smaller than in the first variant.
  • the thrust bearing of the drive shaft is preferably also integrated into the first transmission. The integration of the thrust bearing into the first transmission in the second variant of the invention results in further installation space advantages.
  • Fig. 1 to 5 show different embodiments of submarine propulsion systems 1 according to the invention.
  • All submarine propulsion systems 1 of the Fig. 1 to 5 is common that they have a drive shaft 2, a drive propeller 3 coupled to the drive shaft 2 and several electrical machines 4, 5.
  • At least one first electrical machine 4 of a main drive for driving the drive shaft 2 and thus the drive propeller 3 is designed for full-load operation of the submarine drive system and is or can be coupled to the drive shaft 2 on the drive side.
  • At least one second electrical machine 5 of an additional drive is designed for partial-load operation of the submarine drive system 1 and is or can be coupled to the drive shaft 2 on the drive side, wherein in partial-load operation of the submarine drive system 1 the submarine is typically operated at creep speed and/or submerged speed.
  • the submarine propulsion system 1 it is therefore an idea of the submarine propulsion system 1 according to the invention to have several electrical machines 4, 5 ready to drive the drive shaft 2, namely a first electrical machine 4 designed for full-load operation and a second electrical machine 5 designed for partial-load operation for creeping and/or diving, which are operated depending on the operating state, i.e. depending on whether full-load operation or partial-load operation is desired, and for this purpose are coupled to or uncoupled from the drive shaft 2.
  • the first electrical machine 4 is typically coupled to the drive shaft 2 and the second electrical machine 5 is uncoupled from it.
  • the second electrical machine 5 is typically coupled to the drive shaft 2 and the first electrical machine 4 is uncoupled from it.
  • the first electric machine 4 of the submarine propulsion system 1 which is designed for full-load operation, is indirectly coupled to the drive shaft 2 on the drive side via a first gear 6.
  • the first gear 6 has gear planes 7, 8 made of intermeshing gears that provide at least one gear ratio.
  • the first gear 6 is therefore a transmission gear whose transmission stages are designed so that the first electric machine 4 can be operated at a significantly higher speed than is desired for driving the drive propeller 3 and thus the drive shaft 2. This means that smaller, lighter and more cost-effective electric machines can be used for full-load operation than is possible with submarine drive systems known from practice.
  • the first transmission 6 comprises a clutch 11, which is preferably designed as a shift clutch or synchronous clutch.
  • the second electric machine 5, designed for partial load operation, is in the embodiment of the Fig. 1 mounted or supported on the first gear 6 and coupled directly, i.e. directly without any further gear ratio, to the drive shaft 2 on the drive side.
  • Fig. 2 an embodiment in which the second electric machine 5, designed for full load operation, is mounted or supported on the first gear 6, but is indirectly coupled to the drive shaft 2 on the drive side via the first gear 6, namely in Fig. 2 via a separate gear ratio of the first gear 6 formed by further gear levels 9, 10.
  • the second electric machine 5 which is designed for partial load operation, is in accordance with the embodiments of the Fig. 1 and 2 mounted on the first gear 6 and engages in the embodiment of the Fig. 3 in accordance with the embodiment of the Fig. 2 again indirectly via the first gear 6 on the drive side to the drive shaft 2.
  • the second electric machine 5 does not operate as in the embodiment of the Fig. 2 via a separate gear stage but rather via the gear stage of the first electric machine 4 formed by the gear levels 7 and 8 on the drive shaft 2. While the embodiment of the Fig. 3 is particularly compact and simple, the embodiment of the Fig. 2 efficiency advantages.
  • the respective submarine propulsion system 1 has several electrical machines, namely the first electrical machine 4 for full load operation and the second electrical machine 5 for partial load operation, wherein the second electrical machine 5 for partial load operation is mounted or supported on the first gear 6, which serves as a transmission gear at least for the first electrical machine 4, which is designed for full load operation.
  • the first transmission 6 can also serve as a transmission for the second electric machine 5, which is designed for partial load operation.
  • the second electrical machine 5 designed for partial load operation
  • the second electrical machine 5 is supported together with the first electrical machine 4 and together with the first gear 6 on a foundation 12 of the submarine 1, for which purpose in the embodiments of the Fig. 1 to 3 the first electric machine 4 and the first transmission 6 are mounted on a common frame 13, so that the second electric machine 5 is also mounted on this common frame 13 via the first transmission 6.
  • the two electrical machines 4, 5 and the first gearbox 6 are jointly supported on the foundation 12 of the submarine via this common frame 13.
  • Elastic sound-damping elements 14 are connected between the common frame 13 and the foundation 12. These are particularly important when the submarine is operated at creep speed or submerged speed during partial load operation of the submarine propulsion system 1.
  • the submarine propulsion systems 1 of the Fig. 1, 2 and 3 also have an axial bearing or thrust bearing 15 assigned to the drive shaft 2, an elastic compensating coupling 16 assigned to the drive shaft 2 and a clutch 17 also assigned to the drive shaft 2.
  • the axial bearing or thrust bearing 15 is used to absorb axial forces acting on the drive shaft 2. Thrust forces are directed from the axial bearing or thrust bearing 15 into the hull or foundation of the submarine. Moments are transmitted to the drive propeller 3 via the elastic compensating coupling 16. The drive propeller 3 can be uncoupled from the drive shaft 2 via the clutch 17.
  • Submarine propulsion systems 1 show Fig. 4 and 5 , whereby the embodiments of the Fig. 4 and 5 from the examples of the Fig. 1 to 3 primarily by the fact that in the embodiments of the Fig. 4 and 5 the second electrical machine 5, designed for partial load operation, is not attached to or supported by the hull or foundation 12 of the submarine together with the first electrical machine 4, designed for full load operation, and the first gear 6, but is supported by the foundation 12 of the submarine independently of the first electrical machine 4 and the first gear 6.
  • Fig. 4 an embodiment in which the second electric machine 5 is coupled directly or immediately, i.e. without any further gear ratio, to the drive shaft 2 on the drive side and as such is supported on the foundation 12 of the submarine via elastic sound-damping elements 14.
  • the second electric machine 5 which is designed for partial load operation, is not coupled directly to the drive shaft 2, but indirectly via a separate, second transmission gear 19 and is supported on the foundation 12 via this second gear 19 and elastic vibration dampers 14 arranged between the second gear 19 and the foundation 12 of the submarine.
  • Fig. 4 and 5 It can be seen that in these embodiments the first electrical machine 4, designed for full-load operation, and the first gear 6 serving as a transmission gear for the first electrical machine 4 are individually supported on the foundation 12, but without the need for elastic vibration dampers 14, since in full-load operation when using the first electrical machine 4, low-noise operation of the submarine, as is desirable in partial-load operation, particularly when driving slowly, is of secondary importance.
  • low-noise operation of the submarine propulsion system 1 is only important in partial load operation, in particular when driving slowly, so that in the embodiments of the Fig. 4 and 5 the elastic compensating coupling 16 is exclusively relevant for the second electrical machine 5, which is supported independently of the first electrical machine 4 and the first gear 6 on the foundation 12 of the submarine.
  • a soundproofing cover 18 is arranged around the unit consisting of the second electric machine 5 and the second gearbox 19 in order to ensure even quieter operation of the submarine propulsion system.
  • the axial bearing or thrust bearing 15 is integrated into the first gear 6, which serves as a transmission gear for the first electric machine 4 designed for full load operation. This then enables further installation space advantages to be realized.
  • the required drive power is provided by the first electric machine 4 in full load operation.
  • the speed of the first electric machine 4 is higher than the required propeller speed in order to save on size, weight and costs, which is why the first gearbox 6 with one or more gear ratios is used.
  • the first electric machine 4 can be switched on and off via the optional shift or synchronous clutch 11. Torque is transmitted to the drive propeller 3 in particular via the elastic compensating clutch 16, and a thrust force acting on the drive shaft during operation is transmitted to the hull or foundation 12 via the axial bearing 15.
  • the required drive power is provided by the second electric machine 5.
  • Submarines usually only require a small amount of power when cruising or diving.
  • the second electric machine 5 which is specially designed for partial load operation, is typically powered by batteries. With regard to the range, the efficiency is therefore of particular importance for partial load operation.
  • the smaller, second electric machine 5 is in the range of its design power in partial load operation when creeping and diving and thus has an optimized efficiency, which results in a longer range.
  • the second electric machine 5 is advantageously attached to the first gear 6 and in Fig. 1 directly connected to the drive shaft 2.
  • the drive is provided either by the first electric machine 4 or the second electric machine 5, depending on the power requirement.
  • the first electric machine 4 can be decoupled via the clutch 11, which is particularly advantageous in terms of efficiency.
  • Fig. 4 and 5 show embodiments in which the second electric machine 5 is supported on the foundation 12 independently of the first electric machine 4. Since the first electric machine 4 is only used in less noise-sensitive operating states, the elastic bearing on the first electric machine 4 can then be dispensed with. In order to be particularly quiet when traveling slowly or diving, the second electric machine 5 is advantageously supported elastically on the foundation 12.
  • the elastic coupling 16 is only necessary between the second electric machine 5 and the propeller shaft 2, and can therefore advantageously be made significantly smaller.
  • the axial bearing or thrust bearing 16 is preferably integrated in the housing of the first gear 6.
  • the first gearbox 6 can advantageously be a tunnel gearbox.
  • FIG. 5 A fast-rotating version is used for the second electric machine 5 in order to save weight, installation space and costs in the area of the second electric machine 5.
  • the second gear 19 is used.
  • the use of an oil pump can be dispensed with in the second gear 19 and a pumpless splash lubrication can be implemented.
  • the second electric machine 5 and the second gear 12 are advantageously rigidly aligned with each other and are elastically mounted together on the foundation 12.
  • control system which enables the automated production of the respective desired operating configuration and the monitoring of operationally relevant parameters.
  • the control system can therefore automatically control clutches and electrical machines in order to automatically use the first electrical machine 4 as the drive source in full-load operation and the second electrical machine 5 in partial-load operation.
  • Operating parameters can also be monitored via the control system in order to automatically produce the desired operating configuration depending on this and to provide the drive power either in full-load operation via the first electrical machine 4 of the main drive or in partial-load operation for creeping and/or diving via the second electrical machine 5 of the auxiliary drive.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Unterseebootantriebssystem.
  • Aus der Praxis sind bereits Unterseebootantriebssysteme bekannt, die eine Antriebswelle, einen mit der Antriebswelle gekoppelten Antriebspropeller sowie eine elektrische Maschine zum Antreiben der Antriebswelle aufweisen. Dabei ist nach der Praxis die elektrische Maschine eines Unterseebootantriebssystems direkt bzw. unmittelbar an die Antriebswelle gekoppelt. Die elektrische Maschine wird dabei sowohl für einen Volllastbetrieb als auch für einen Teillastbetrieb genutzt. Insbesondere im Teillastbetrieb ergeben sich Wirkungsgradnachteile. Ferner müssen relativ große elektrische Maschinen zum Einsatz kommen.
  • GB 168,834 offenbart einen Schiffsantrieb, welcher zwei Elektromotoren mit unterschiedlicher Leistung aufweist.
  • Aus der DE 10 2012 208 065 A1 ist ein Schiffsantriebssystem bekannt, bei welchem eine elektrische Maschine mittelbar bzw. indirekt über ein Getriebe an eine Antriebswelle gekoppelt ist. Durch das Zwischenschalten eines Getriebes zwischen die elektrische Maschine und die Antriebswelle können kleinere, leichtere und kostengünstigere elektrische Maschinen zum Einsatz kommen, insbesondere da dann die elektrische Maschine mit einer höheren als der benötigten Drehzahl der Antriebswelle bzw. des von der Antriebswelle angetriebenen Antriebspropellers betrieben werden kann.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Unterseebootantriebssystem zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist ein mindestens eine erste elektrische Maschine aufweisender Hauptantrieb auf einen Volllastbetrieb ausgelegt und an die Antriebswelle antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar, wobei ein mindestens eine zweite elektrische Maschine aufweisender Zusatzantrieb auf einen Teillastbetrieb für eine Schleichfahrt und/oder Tauchfahrt des Unterseeboots ausgelegt und ebenfalls an die Antriebswelle antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar ist. Das Unterseebootantriebssystem verfügt demnach über mindestens zwei elektrische Maschinen. Die oder jede erste elektrische Maschine ist auf den Volllastbetrieb ausgelegt und wird im Volllastbetrieb und darunter eingesetzt. Die oder jede zweite elektrische Maschine ist auf den Teillastbetrieb ausgelegt und kommt im Teillastbetrieb zum Einsatz. Hierdurch können Wirkungsgradnachteile im Teillastbetrieb durch die oder jede speziell auf den Teillastbetrieb angepasste, zweite elektrische Maschine vermieden werden.
  • Vorzugsweise ist die oder jede erste, auf den Volllastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine über ein erstes Getriebe an die Antriebswelle indirekt bzw. mittelbar antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar, wobei die oder jede zweite, auf den Teillastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine direkt bzw. unmittelbar oder über das erste Getriebe indirekt bzw. mittelbar oder über ein zweites Getriebe indirekt bzw. mittelbar an die Antriebswelle antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar ist. Hierdurch ist es möglich, insbesondere die erste, auf den Volllastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine, kleiner, leichter und kostengünstiger auszuführen.
  • Nach einer ersten Variante der Erfindung ist die oder jede zweite elektrische Maschine an dem ersten Getriebe gelagert bzw. abgestützt und zusammen mit der oder jeder ersten elektrischen Maschine und dem ersten Getriebe an einem Fundament des Unterseeboots gemeinsam abgestützt. Bei der ersten Variante ist vorzugsweise eine elastische Ausgleichskupplung zwischen einen Ausgang des ersten Getriebes und ein Drucklager der Antriebswelle geschaltet. Diese erste Variante ist für Unterseebootantriebssysteme besonders geeignet.
  • Nach einer zweiten Variante der Erfindung ist die oder jede zweite elektrische Maschine direkt oder über das zweite Getriebe indirekt jeweils unabhängig von der oder jeder ersten elektrischen Maschine und dem ersten Getriebe an einem Fundament des Unterseeboots abgestützt. Auch die zweite Variante der Erfindung ist für Unterseebootantriebssysteme besonders geeignet, wobei die zweite Variante der Erfindung Vorteile hinsichtlich des benötigten Bauraums aufweist.
  • Bei der zweiten Variante ist vorzugsweise eine elastische Ausgleichskupplung zwischen die zweite elektrische Maschine oder einen Ausgang des zweiten Getriebes und ein Drucklager bzw. Axiallager der Antriebswelle geschaltet. Bei der zweiten Variante kann die elastische Ausgleichskupplung kleiner ausfallen als bei der ersten Variante. Bei der zweiten Variante ist vorzugsweise ferner das Drucklager der Antriebswelle in das erste Getriebe integriert. Die Integration des Drucklagers in das erste Getriebe bei der zweiten Variante der Erfindung resultiert in weiteren Bauraumvorteilen.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1:
    ein Blockschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Unterseebootantriebssystems;
    Fig. 2:
    ein Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Unterseebootantriebssystems:
    Fig. 3:
    ein Blockschaltbild eines dritten erfindungsgemäßen Unterseebootantriebssystems;
    Fig. 4:
    ein Blockschaltbild eines vierten erfindungsgemäßen Unterseebootantriebssystems; und
    Fig. 5:
    ein Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Unterseebootantriebssystems.
  • Fig. 1 bis 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Unterseebootantriebssystemen 1. Sämtlichen Unterseebootantriebssystemen 1 der Fig. 1 bis 5 ist gemeinsam, dass dieselben eine Antriebswelle 2, einen an die Antriebswelle 2 gekoppelten Antriebspropeller 3 sowie mehrere elektrische Maschinen 4, 5 aufweisen. Mindestens eine erste elektrische Maschine 4 eines Hauptantriebs zum Antreiben der Antriebswelle 2 und damit des Antriebspropellers 3 ist auf einen Volllastbetrieb des Unterseebootantriebssystems ausgelegt und antriebsseitig an die Antriebswelle 2 gekoppelt bzw. koppelbar. Mindestens eine zweite elektrische Maschine 5 eines Zusatzantriebs ist auf einen Teillastbetrieb des Unterseebootantriebssystems 1 ausgelegt und ebenfalls an die Antriebswelle 2 antriebsseitig gekoppelt bzw. koppelbar, wobei im Teillastbetrieb des Unterseebootantriebssystems 1 das Unterseeboot typischerweise in Schleichfahrt und/oder Tauchfahrt betrieben wird.
  • Es ist demnach ein Gedanke des erfindungsgemäßen Unterseebootantriebssystems 1, zum Antreiben der Antriebswelle 2 mehrere elektrische Maschinen 4, 5 bereitzuhalten, nämlich eine erste, auf den Volllastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 4 und eine zweite, auf den Teillastbetrieb für eine Schleichfahrt und/oder Tauchfahrt ausgelegte elektrische Maschine 5, die abhängig vom Betriebszustand, also abhängig davon, ob ein Volllastbetrieb oder Teillastbetrieb gewünscht sind, betrieben werden und hierzu an die Antriebswelle 2 gekoppelt sind bzw. von derselben abgekoppelt sind. Im Volllastbetrieb ist typischerweise die erste elektrische Maschine 4 an die Antriebswelle 2 angekoppelt und die zweite elektrische Maschine 5 von derselben abgekoppelt. Im Teillastbetrieb ist typischerweise die zweite elektrische Maschine 5 an die Antriebswelle 2 angekoppelt und die erste elektrische Maschine 4 von derselben abgekoppelt.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste, auf den Volllastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 4 des Unterseebootantriebssystems 1 über ein erstes Getriebe 6 indirekt bzw. mittelbar an die Antriebswelle 2 antriebsseitig gekoppelt ist. Das erste Getriebe 6 verfügt dabei über Zahnradebenen 7, 8 aus ineinandergreifenden Zahnrädern, die mindestens eine Übersetzungsstufe bereitstellen
  • Beim ersten Getriebe 6 handelt es sich demnach um ein Übersetzungsgetriebe, dessen Übersetzungsstufen so ausgelegt sind, dass die erste elektrische Maschine 4 mit deutlich höherer Drehzahl betrieben werden kann, als dies für den Antrieb des Antriebspropellers 3 und damit der Antriebswelle 2 gewünscht ist. Dadurch können kleinere, leichtere und kostengünstigere elektrische Maschinen für den Volllastbetrieb zum Einsatz kommen, als dies bei aus der Praxis bekannten Unterseebootantriebssystemen möglich ist.
  • Ferner umfasst das erste Getriebe 6 eine Kupplung 11, die vorzugsweise als Schaltkupplung bzw. Synchronkupplung ausgeführt ist.
  • Die zweite, auf den Teillastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 5 ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 am ersten Getriebe 6 gelagert bzw. abgestützt und unmittelbar, also direkt ohne weitere Übersetzungsstufe, an die Antriebswelle 2 antriebsseitig gekoppelt.
  • Demgegenüber zeigt Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, in welcher die zweite, auf den Volllastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 5 zwar am ersten Getriebe 6 gelagert bzw. abgestützt ist, jedoch mittelbar bzw. indirekt über das erste Getriebe 6 an die Antriebswelle 2 antriebsseitig gekoppelt ist, nämlich in Fig. 2 über eine von weiteren Zahnradebenen 9, 10 gebildete, separate Übersetzungsstufe des ersten Getriebes 6.
  • In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die auf den Teillastbetrieb ausgelegte, zweite elektrische Maschine 5 in Übereinstimmung zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 am ersten Getriebe 6 gelagert und greift im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 in Übereinstimmung zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wiederum indirekt über das erste Getriebe 6 antriebsseitig an der Antriebswelle 2 an. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 greift jedoch die zweite elektrische Maschine 5 nicht wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 über eine separate Übersetzungsstufe sondern vielmehr über die von den Zahnradebenen 7 und 8 gebildete Übersetzungsstufe der ersten elektrischen Maschine 4 an der Antriebswelle 2 an. Während die Ausführungsform der Fig. 3 besonders kompakt und einfach ist, weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 Wirkungsgradvorteile auf.
  • Wie bereits ausführt, ist sämtlichen Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 gemeinsam, dass das jeweilige Unterseebootantriebssystem 1 mehrere elektrische Maschinen aufweist, nämlich die erste elektrische Maschine 4 für den Volllastbetrieb und die zweite elektrische Maschine 5 für den Teillastbetrieb, wobei die zweite elektrische Maschine 5 für den Teillastbetrieb an dem ersten Getriebe 6 gelagert bzw. abgestützt ist, welches als Übersetzungsgetriebe zumindest für die erste elektrische Maschine 4, die auf den Volllastbetrieb ausgelegt ist, dient. Optional kann, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, das erste Getriebe 6 auch als Übersetzungsgetriebe für die auf den Teillastbetrieb ausgelegte, zweite elektrische Maschine 5 dienen.
  • In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1, 2 und 3, in welchen die zweite, auf den Teillastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 5 am ersten Getriebe 6 gelagert bzw. abgestützt ist, ist die zweite elektrische Maschine 5 zusammen mit der ersten elektrischen Maschine 4 sowie zusammen mit dem ersten Getriebe 6 an einem Fundament 12 des Unterseeboots 1 gemeinsam abgestützt, wozu in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 die erste elektrische Maschine 4 sowie das erste Getriebe 6 an einem gemeinsamen Rahmen 13 gelagert sind, sodass auch die zweite elektrische Maschine 5 über das erste Getriebe 6 an diesem gemeinsamen Rahmen 13 gelagert ist.
  • Über diesen gemeinsamen Rahmen 13 sind die beiden elektrischen Maschinen 4, 5 sowie das erste Getriebe 6 gemeinsam an dem Fundament 12 des Unterseeboots abgestützt.
  • Zwischen den gemeinsamen Rahmen 13 und das Fundament 12 sind elastische Schalldämpfungselemente 14 geschaltet. Diese sind insbesondere dann von Bedeutung, wenn im Teillastbetrieb des Unterseebootantriebssystems 1 das Unterseeboot in Schleichfahrt oder Tauchfahrt betrieben wird.
  • Die Unterseebootantriebssysteme 1 der Fig. 1, 2 und 3 verfügen weiterhin über ein der Antriebswelle 2 zugeordnetes Axiallager bzw. Drucklager 15, über eine der Antriebswelle 2 zugeordnete, elastische Ausgleichskupplung 16 sowie über eine ebenfalls der Antriebswelle 2 zugeordnete Schaltkupplung 17. Das Axiallager bzw. Drucklager 15 dient der Aufnahme von auf die Antriebswelle 2 einwirkenden Axialkräften. Schubkräfte werden vom Axiallager bzw. Drucklager 15 in den Rumpf bzw. in das Fundament des Unterseeboots geleitet. Momente werden über die elastische Ausgleichskupplung 16 auf den Antriebspropeller 3 übertragen. Über die Schaltkupplung 17 kann der Antriebspropeller 3 von der Antriebswelle 2 abgekoppelt werden.
  • Unterseebootantriebssysteme 1 nach einer zweiten Variante der Erfindung zeigen Fig. 4 und 5, wobei sich die Ausführungsbeispiele der Fig. 4 und 5 von den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 in erster Linie dadurch unterscheiden, dass bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 die zweite, auf den Teillastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 5 nicht zusammen mit der auf den Volllastbetrieb ausgelegten, ersten elektrischen Maschine 4 sowie dem ersten Getriebe 6 am Rumpf bzw. Fundament 12 des Unterseeboots angreift bzw. abgestützt ist, sondern vielmehr unabhängig von der ersten elektrischen Maschine 4 und dem ersten Getriebe 6 am Fundament 12 des Unterseeboots abgestützt ist.
  • Hierbei zeigt Fig. 4 eine Ausführungsform, in welcher die zweite elektrische Maschine 5 direkt bzw. unmittelbar, das heißt ohne weitere Übersetzungsstufe, antriebsseitig an die Antriebswelle 2 gekoppelt ist und als solche über elastische Schalldämpfungselemente 14 am Fundament 12 des Unterseeboots abgestützt ist.
  • In der Ausführungsform der Fig. 5 hingegen ist die auf den Teillastbetrieb ausgelegte zweite elektrische Maschine 5 nicht direkt, sondern indirekt bzw. mittelbar über ein separates, zweites Übersetzungsgetriebe 19 an die Antriebswelle 2 gekoppelt und über dieses zweite Getriebe 19 sowie zwischen dem zweiten Getriebe 19 und dem Fundament 12 des Unterseeboots angeordnete, elastische Schwingungsdämpfer 14 am Fundament 12 abgestützt.
  • Fig. 4 und 5 kann entnommen werden, dass in diesen Ausführungsbeispielen die erste, auf den Volllastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 4 und das als Übersetzungsgetriebe für die erste elektrische Maschine 4 dienende erste Getriebe 6 individuell am Fundament 12 abgestützt sind, jedoch ohne die Notwendigkeit elastischer Schwingungsdämpfer 14, da im Volllastbetrieb bei Einsatz der ersten elektrischen Maschine 4 ein geräuscharmer Betrieb des Unterseeboots, wie er beim Teillastbetrieb insbesondere in Schleichfahrt wünschenswert ist, von untergeordneter Bedeutung ist.
  • Ein weiterer Unterschied der Ausführungsbeispiele der Fig. 4 und 5 von den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 besteht darin, dass beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 die elastische Ausgleichskupplung 16 nicht wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 3 zwischen den Ausgang des ersten Getriebes 6 und das Axiallager bzw. Drucklager 15 geschaltet ist, sondern vielmehr zwischen das Axiallager bzw. Drucklager 15 der Antriebswelle 2 und die zweite, auf den Teillastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine 5 oder das zweite Getriebe 19.
  • Wie bereits ausgeführt, ist ein geräuscharmer Betrieb des Unterseebootantriebssystems 1 nur im Teillastbetrieb, insbesondere bei Schleichfahrt, von Bedeutung, sodass dann in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 die elastische Ausgleichskupplung 16 ausschließlich für die unabhängig von der ersten elektrischen Maschine 4 und dem ersten Getriebe 6 am Fundament 12 des Unterseeboots abgestützte zweite elektrische Maschine 5 von Bedeutung ist.
  • In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist, um die Einheit aus zweiter elektrischer Maschine 5 und zweitem Getriebe 19 noch eine Schallschutzverkleidung 18 angeordnet, um einen noch geräuschärmeren Betrieb des Unterseebootantriebssystems zu gewährleisten.
  • In den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 ist das Axiallager bzw. Drucklager 15 in das erste Getriebe 6 integriert, welches als Übersetzungsgetriebe für die auf den Volllastbetrieb ausgelegte, erste elektrische Maschine 4 dient. Hiermit können dann weitere Bauraumvorteile realisiert werden.
  • Die erforderliche Antriebsleistung wird im Vollastbetrieb durch die erste elektrische Maschine 4 bereitgestellt. Die Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 4 ist zur Einsparung von Baugröße, Gewicht und Kosten höher als die benötigte Propellerdrehzahl, weshalb das erste Getriebe 6 mit einer oder mehreren Übersetzungsstufen zum Einsatz kommt. Die erste elektrische Maschine 4 kann über die optionale Schalt- oder Synchronkupplung 11 zu- und abgeschaltet werden. Drehmoment wird insbesondere über die elastische Ausgleichskupplung 16 auf den Antriebspropeller 3 geleitet, ein im Betrieb auf die Antriebswelle einwirkende Schubkraft wird über das Axiallager 15 auf den Rumpf bzw. das Fundament 12 übertragen.
  • Im Teillastbetrieb wird die erforderliche Antriebsleistung von der zweiten elektrischen Maschine 5 bereitgestellt. Unterseeboote benötigen bei Schleich- und Tauchfahrt in der Regel nur einen geringen Teil der Leistung.
  • Die speziell auf den Teillastbetrieb ausgelegte, zweite elektrische Maschine 5 wird typischerweise aus Batterien gespeist. In Hinblick auf die Reichweite ist somit für den Teillastbetrieb der Wirkungsgrad von besonderer Bedeutung. Die kleinere, zweite elektrische Maschine 5 befindet sich im Teillastbetrieb bei Schleich- und Tauchfahrt im Bereich seiner Auslegungsleistung und hat damit einen optimierten Wirkungsgrad, der eine höhere Reichweite bewirkt.
  • Im Ausführungsbeispiel der Fig.1, 2 und 3 ist die zweite elektrische Maschine 5 vorteilhaft am ersten Getriebe 6 befestigt und in Fig. 1 direkt mit der Antriebswelle 2 verbunden. Der Antrieb erfolgt wahlweise durch die erste elektrische Maschine 4 oder die zweite elektrische Maschine 5, je nach Leistungsbedarf. Bei Betrieb mit der zweiten elektrischen Maschine 5 kann über die Kupplung 11 die erste elektrische Maschine 4 abgekoppelt werden, was bezüglich des Wirkungsgrads besonders vorteilhaft ist.
  • Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele, in welchen die zweite elektrische Maschine 5 unabhängig von der ersten elektrischen Maschine 4 am Fundament 12 abgestützt ist. Da die erste elektrische Maschine 4 nur in weniger geräuschsensiblen Betriebszuständen eingesetzt wird, kann dann auf die elastische Lagerung an der ersten elektrischen Maschine 4 verzichtet werden. Um besonders geräuscharm bei Langsam- und Tauchfahrt zu sein, wird die zweite elektrische Maschine 5 vorteilhaft elastisch am Fundament 12 abgestützt. Die elastische Kupplung 16 ist nur zwischen zweiter elektrische Maschine 5 und der Propellerwelle 2 notwendig, dieselbe kann damit vorteilhaft deutlich kleiner ausgeführt werden. Das Axiallager bzw. Drucklager 16 ist vorzugsweise in das Gehäuse des ersten Getriebes 6 integriert.
  • Beim ersten Getriebe 6 kann es sich vorteilhaft um ein Tunnelgetriebe handeln.
  • Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist für die zweite elektrische Maschine 5 eine schnell drehende Ausführung verwendet, um auch im Bereich der zweiten elektrischen Maschine 5 Gewicht, Bauraum und Kosten zu sparen. Zum Angleich der Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine 5 an die gewünschte Drehzahl der Antriebswelle 2 wird in Fig. 5 das zweite Getriebe 19 genutzt. Um Geräusche zu minimieren, kann bei dem zweiten Getriebe 19 vorteilhaft auf die Verwendung einer Ölpumpe verzichtet und eine pumpenlose Tauchschmierung realisiert werden. Die zweite elektrische Maschine 5 und das zweite Getriebe 12 sind vorteilhaft starr zueinander ausrichtet und gemeinsam elastisch am Fundament 12 gelagert.
  • Jedes der gezeigten Ausführungsbeispiele ist vorteilhaft mit einer Steuerung versehen, wodurch die automatisierte Herstellung der jeweils gewünschten Betriebskonfiguration und die Überwachung betriebsrelevanter Parameter ermöglicht werden. Die Steuerung kann demnach Kupplungen und elektrische Maschinen automatisch ansteuern, um im Vollastbetrieb automatisch die erste elektrische Maschine 4 und im Teillastbetrieb automatisch die zweite elektrische Maschine 5 als Antriebsquelle zu nutzen. Über die Steuerung können auch Betriebsparameter überwacht werden, um abhängig hiervon automatisch die gewünschte Betriebskonfiguration herzustellen und die Antriebsleistung entweder im Volllastbetrieb über die erste elektrische Maschine 4 des Hauptantriebs oder im Teillastbetrieb für eine Schleichfahrt und/oder Tauchfahrt über die zweite elektrische Maschine 5 des Zusatzantriebs bereitzustellen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Unterseebootantriebssystem
    2
    Antriebswelle
    3
    Antriebspropeller
    4
    elektrische Maschine
    5
    elektrische Maschine
    6
    Getriebe
    7
    Zahnradstufe
    8
    Zahnradstufe
    9
    Zahnradstufe
    10
    Zahnradstufe
    11
    Kupplung
    12
    Fundament
    13
    Rahmen
    14
    Schalldämpfungselement
    15
    Axiallager
    16
    Ausgleichskupplung
    17
    Kupplung
    18
    Schallschutzverkleidung
    19
    Getriebe

Claims (15)

  1. Unterseebootantriebssystem (1) eines Unterseeboots,
    mit einer Antriebswelle (2),
    mit einem an die Antriebswelle (2) gekoppelten oder koppelbaren Antriebspropeller (3), und
    mit einer elektrischen Maschine (4, 5) zum Antreiben der Antriebswelle (2),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein mindestens eine erste elektrische Maschine (4) aufweisender Hauptantrieb auf einen Volllastbetrieb ausgelegt und an die Antriebswelle (2) antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar ist,
    ein mindestens eine zweite elektrische Maschine (5) aufweisender Zusatzantrieb auf einen Teillastbetrieb für eine Schleichfahrt und/oder Tauchfahrt des Unterseeboots ausgelegt und ebenfalls an die Antriebswelle (2) antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar ist.
  2. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede erste, auf den Volllastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine (4) mittelbar über ein erstes Getriebe (6) an die Antriebswelle (2) antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar ist.
  3. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede zweite, auf den Teillastbetrieb ausgelegte elektrische Maschine (5) entweder unmittelbar oder über das erste Getriebe (6) oder über ein zweites Getriebe (19) jeweils mittelbar an die Antriebswelle (2) antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar ist.
  4. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede zweite elektrische Maschine (5) an dem ersten Getriebe (6) abgestützt und zusammen mit der oder jeder ersten elektrischen Maschine (4) und dem ersten Getriebe (6) an einem Fundament (12) des Unterseeboots gemeinsam abgestützt ist.
  5. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede erste elektrische Maschine (4) und das erste Getriebe (6) an einem gemeinsamen Rahmen (13) gelagert und über den Rahmen (13) an dem Fundament (12) des Unterseeboots gemeinsam abgestützt sind.
  6. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Rahmen (13) über Schalldämpfungselemente (14) am Fundament (12) des Unterseeboots angreift.
  7. Unterseebootantriebssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede an dem ersten Getriebe (6) abgestützte zweite elektrische Maschine (5) unmittelbar ohne Übersetzungsstufe an die Antriebswelle (2) gekoppelt oder koppelbar ist.
  8. Unterseebootantriebssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede an dem ersten Getriebe (6) abgestützte zweite elektrische Maschine (5) mittelbar über eine Übersetzungsstufe (9, 10) des ersten Getriebes (6) an die Antriebswelle (2) antriebsseitig gekoppelt oder koppelbar ist.
  9. Unterseebootantriebssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichskupplung (16) zwischen einen Ausgang des ersten Getriebes (6) und ein Drucklager (15) der Antriebswelle (2) geschaltet ist.
  10. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede zweite elektrische Maschine (5) entweder direkt oder indirekt über das zweite Getriebe (19) jeweils unabhängig von der oder jeder ersten elektrischen Maschine (4) und unabhängig von dem ersten Getriebe (6) an einem Fundament (12) des Unterseeboots abgestützt ist.
  11. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede zweite elektrische Maschine (5) oder das zweite Getriebe (19) über Schalldämpfungselemente (14) am Fundament (12) des Unterseeboots angreift.
  12. Unterseebootantriebssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichskupplung (16) zwischen die zweite elektrische Maschine (5) oder einen Ausgang des zweiten Getriebes (19) und ein Drucklager (15) der Antriebswelle (2) geschaltet ist.
  13. Unterseebootantriebssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucklager (15) der Antriebswelle (2) in das erste Getriebe (6) integriert ist.
  14. Unterseebootantriebssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Getriebe (19) eine Tauchschmierung aufweist.
  15. Unterseebootantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung Kupplungen und elektrische Maschinen automatisiert ansteuert, um im Vollastbetrieb die oder jede erste elektrische Maschine (4) und im Teillastbetrieb die oder jede zweite elektrische Maschine (5) als Antriebsquelle automatisch zu nutzen.
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