Voith-Schneider-Antrieb

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Bild eines Voith-Schneider-Antriebs
Prinzip des von Schneider ursprünglich vorgeschlagenen Antriebs (Draufsicht, Fahrtrichtung des Schiffes im Bild von unten nach oben. Die blauen Dreiecke verdeutlichen die ungefähre Antriebskraft an der jeweiligen Schaufel)
Prinzip des weiterentwickelten Antriebs mit Koppelgetriebe (Draufsicht, Fahrtrichtung des Schiffes im Bild von unten nach oben. Die blauen Dreiecke verdeutlichen die ungefähre Antriebskraft an der jeweiligen Schaufel)
Kräfte des Voith-Schneider-Antriebs
Hafenschlepper mit Voith-Schneider-Antrieb: Im Gegensatz zum Schraubenantrieb kann der VSP an jeder Stelle unter dem Rumpf angebracht werden

Der Voith-Schneider-Antrieb bzw. Voith-Schneider-Propeller (VSP) ist ein Schiffsantrieb, bei dem der Schub in der Größe und Richtung beliebig eingestellt werden kann, ohne dass die Drehzahl verändert wird. Die Steuerung erfolgt durch Einstellung der Steigung für die Richtung voraus–zurück (Fahrt) und durch die Einstellung quer zum Schiff (Ruder). Diese Art der Steuerung verleiht dem Schiff höchste Manövrierfähigkeit und erlaubt eine sehr feine Dosierung des Schubes und extrem schnellen Wechsel der Schubrichtung ohne Änderung der Drehzahl. Wird das Schiff mit zwei oder mehr VSP ausgerüstet, kann sich das Schiff in jede Richtung bewegen, auch seitlich (traversieren).

Erfunden wurde der Voith-Schneider-Antrieb von Ernst Schneider [1]. Entwickelt und produziert wird er seit 1926 von der Firma Voith in Heidenheim bzw. St. Pölten.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Flügel des Voith-Schneider-Antriebs bewegen sich auf einer Kreisbahn und führen dabei eine zusätzliche überlagerte Schwenkbewegung aus.

VSP arbeiten mit sehr geringen Drehzahlen. Sie betragen nur ca. 25 Prozent der Drehzahlen von Schraubenpropellern mit vergleichbaren Größen und Leistungen. Mit der geringen Drehzahl sind hohe Momente verbunden, die eine robuste Konstruktion nötig machen, was allerdings als Nachteil ein erhöhtes Gewicht mit sich bringt.

VSP werden bis ca. vier Megawatt Leistungsaufnahme gebaut und weisen Flügelkreisdurchmesser bis vier Meter auf. Die Flügellänge wird mit einem Maß von bis zu 82 Prozent des Flügelkreisdurchmessers ausgeführt. Der Antrieb erfolgt meist durch Dieselmotoren oder Elektromotoren bei See- und Binnenschiffen.

Ein wesentlicher Unterschied des Voith-Schneider-Propellers im Vergleich zum Schraubenpropeller besteht in der Lage der Drehachse relativ zur Schubrichtung. Während beim Schraubenpropeller Drehachse und Schubrichtung weitestgehend identisch sind, stehen sie beim VSP senkrecht aufeinander. Deshalb existiert für den VSP keine bevorzugte Schubrichtung. Der Voith-Schneider-Antrieb ist ein Verstellpropeller, der eine stufenlose Variation des Schubes bezüglich Größe und Richtung ermöglicht. Da der VSP gleichzeitig Antriebs- und Steuerkräfte erzeugt, sind zusätzliche Anhänge – wie Wellenblöcke, Schiffsruder, Gondeln, Schäfte etc. – bei Schiffen mit VSP nicht erforderlich.

Die rechteckige Strahlfläche eines Voith-Schneider-Antriebs ist bei gegebenen Einbauverhältnissen in etwa doppelt so groß wie die einer Schraube.

Prinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auf eine schräg mit einem Anstellwinkel α in die Strömung eines Fluids (Wasser, Luft etc.) gestellte oder aber in einem ruhenden Fluid bewegte Fläche (Schaufel, Flügel) wirken Kräfte. Es sind dies die Widerstandskraft (in Bewegungsrichtung) und der dynamische Auftrieb (quer zur Bewegungsrichtung). Um Kräfte in einer rotierenden Maschine nutzen zu können, müssen sich schräg angestellte Flächen auf einer Kreisbahn bewegen. Behalten die Flächen dabei jedoch ihren Winkel (relativ zur jeweiligen Tangente) bei, heben sich alle Kräfte auf. Es ist deshalb notwendig, den Anstellwinkel der Flächen während der Bewegung auf einer Kreisbahn zu verändern. Zweckmäßig ist hierbei, dass einem positiven Anstellwinkel um 180° versetzt ein (nicht unbedingt gleichgroßer) negativer Anstellwinkel gegenübersteht (es gibt auch andere Konzepte, siehe [2]). In den beiden Bewegungsbereichen dazwischen verändert sich der Winkel kontinuierlich. Je größer der Anstellwinkel ist, desto größer ist der dynamische Auftrieb (gilt nur bis zu einer gewissen Grenze), dessen Kraft genutzt wird.

Die Flächen sind als symmetrische stromlinienförmige Körper ausgebildet, um die Widerstandskraft in Bewegungsrichtung (Kreisbahn) zu minimieren. Auch die Verwendung von Tragflächenprofilen ist möglich [3]. In diesem Fall wird durch das Profil auf der einen Seite der Kreisbahn der dynamische Auftrieb gegenüber dem des schräg angestellten symmetrischen Strömungskörpers verstärkt. Auf der gegenüberliegenden Seite (um 180° versetzt) ist jedoch praktisch nur die Schräganstellung des Profils wirksam.

Schneider hat erkannt und beschrieben, dass ein solcher Propeller in einfacher und vorteilhafter Weise (verglichen mit anderen Schwenkflügelprinzipen) gesteuert und als Schiffsantrieb verwendet werden kann. Die von ihm vorgeschlagene Steuereinrichtung liegt im Inneren des Rotorkreises Ein kompakter Aufbau ist so möglich.

Der Voith-Schneiderpropeller (VSP) kann prinzipiell als Turbine, als Pumpe bzw. Gebläse oder als Antrieb genutzt werden.

Nutzung als Turbine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der ortsfeste Rotor wird vom Fluid in einer Richtung angeströmt und durch die erzeugte Kraft in Bewegungsrichtung (tangential) in Drehung versetzt (Drehmoment). Aus der Strömung (z. B. Wind, Wasser) wird Energie gewonnen. Im Gegensatz zu üblichen Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse (Savoniusrotor, Darrieusrotor etc. [4]) muss ein VSP jedoch in den Wind (bzw. in die Strömungsrichtung des Wassers) gedreht werden. Eine vertikale Rotationsachse ist zweckmäßig, aber nicht zwingend notwendig. Anwendungen als Turbine sind bisher nicht bekanntgeworden.

Nutzung als Pumpe/Gebläse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der ortsfeste Rotor wird motorisch angetrieben und in Drehbewegung versetzt. Es entsteht eine Kraft auf das Fluid und eine Strömung in einer Richtung. Die Rotationsachse kann eine beliebige Lage aufweisen. In neuester Zeit ist vorgeschlagen worden, Flettnerrotoren mit Schneiderrotoren anzuströmen, um ein kurzstartfähiges Flugzeug zu realisieren [5] [6]

Nutzung als Antrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der an in einem Fluid (vorzugsweise Wasser) beweglichen Fahrzeug montierte Rotor wird motorisch angetrieben. Es entsteht ein Vortrieb in einer Richtung, der zum Antrieb (z. B. eines Schiffes) verwendet werden kann. Prinzipiell kann aber auch ein Fahrzeug (auf dem Wasser oder auf dem Land) auf diese Weise angetrieben werden, wenn die Rotation in Luft stattfindet. Bevorzugt werden vertikale oder annähernd vertikale Rotationsachsen verwendet.

Derzeit wird der Schneiderrotor ausschließlich für den Antrieb von Schiffen eingesetzt. Die Fahrtrichtung (ohne Ruder) und die Fahrgeschwindigkeit (ohne Drehzahländerung) können einfach und schnell geändert werden. Die Kinematik dieser Steuerung wird nachfolgend beschrieben.

Kinematik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Schaufeln rotieren um den Mittelpunkt M des Umlaufkreises und können jeweils um den Schwenkpunkt S verschwenkt werden. Eine Verbindungslinie von den Schwenkpunkten zu einem gegenüber M verschobenen Leitpunkt L (Stellung a) muss stets einen rechten (oder annähernd rechten) Winkel mit den Symmetrieachsen der Schaufeln bilden. Es ist ersichtlich, dass die Schaufeln unter dieser Bedingung bei einem Umlauf verdreht werden und in den Bereichen ihrer Schrägstellung gegenüber der jeweiligen Tangente an den Umlaufkreis ein dynamischer Auftrieb in gleicher Richtung erzeugt wird, der einen Vortrieb zur Folge hat. Wird der Leitpunkt L weiter vom Mittelpunkt entfernt (Stellung b), vergrößert sich die Schrägstellung der Schaufeln und somit auch der Vortrieb. Allein durch die Verlagerung des Leitpunktes kann somit die Geschwindigkeit des Schiffes erhöht werden (ohne Drehzahländerung des Motors, die selbstverständlich auch vorgenommen werden kann). Wird L um einen Winkel β um M verdreht, verlagert sich auch die Vortriebskraft und damit die Fahrtrichtung um diesen Winkel. Bei Verdrehung von L um 180° (bzw. Verschiebung über M hinweg) ändert sich die Fahrtrichtung von vorwärts auf rückwärts (bzw. umgekehrt).

Realisiert werden kann das Prinzip in einfacher Weise, wenn jede Schaufel starr mit einer Stange verbunden ist, die sich in einem drehenden Leitlager linear gleitend bewegen kann (siehe Animation für eine Schaufel).

Sinnvoll ist es jedoch, das Prinzip dahingehend zu erweitern, dass kinematische Konzepte, die durch Verlagerung eines Leitlagers andere (geeignete) Schaufelanstellungen bewirken und damit Geschwindigkeitsänderungen bzw. Fahrtrichtungsänderungen zur Folge haben, als Möglichkeit für die Realisierung eines VSP anzusehen. Der gedachte Leitpunkt L* (bzw. die gedachte Leitachse) ist nun nicht mehr identisch mit dem auch hierbei vorhandenen realen Leitlager, sondern wandert hin und her [7].

Um eine solche Kinematik zu realisieren, werden sogenannte Koppelgetriebe (Gestängegetriebe) verwendet. Deren Einzelteile sind durch Gelenke verbunden.

Im Bild ist schematisch eine einfache Realisierungsmöglichkeit dargestellt. Die Schaufeln sind über Arme A mit dem Leitlager, das den Leitpunkt bzw. die Leitachse darstellt, verbunden. Die Arme können sich unabhängig voneinander um das Leitlager drehen, auf dem sie gestapelt angeordnet sind. Die Schaufeln sind im motorisch angetriebenen Antriebsrad um ihre Achsen S drehbar gelagert und über Hebel H und Gelenke G mit den Armen verbunden. In der Animation ist gezeigt, dass sich ein Antrieb in bestimmter Richtung ergibt.

Etwas komplizierter ist das in einem weiteren Bild dargestellte Konzept. In der Animation ist der Umlauf einer von einem Koppelgetriebe bewegten Schaufel gezeigt. Koppelgetriebe sind vielfach variierbar, so dass für jede gewünschte Schaufelverstellung eine Realisierungsmöglichkeit gefunden werden kann [8] [9]. Im Beispiel ist eine Variante dargestellt, bei der ein größerer Antriebsbereich wirksam wird.

Um den Antrieb in der oben beschriebenen Weise zu steuern (also das Leitlager zu bewegen), ist das Leitlager mit einem Kalottenlager ausgestattet. Ein mit drei kugelförmigen Bereichen versehener Steuerzapfen greift mit einer Kugel in dieses Kalottenlager. Die mittlere Kugel ist in einem gestellfesten Lager gehaltert, während die obere Kugel in einem von zwei rechtwinklig angeordneten Hydraulikzylindern verschiebbaren Lager geführt wird (siehe Bild). Der Steuerzapfen ist um sein mittleres Kalottenlager allseitig schwenkbar. Die Hydraulikzylinder werden mit Hilfe eines Steuerknüppels bzw. Joysticks angesteuert. Auf diese Weise ist das Leitlager in der jeweils geforderten Weise verschiebbar. Mit der Bewegung des Knüppels werden, wie oben beschrieben, sowohl Fahrtrichtung als auch Geschwindigkeit gesteuert.

Bei Bewegung des Schiffes (und damit des Rotors) mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen sich die Schaufeln aufgrund der Rotation des Rotors auf einer Zykloidenbahn durch das Wasser. VSP werden deshalb auch als Zykloidalpropeller oder -rotoren bezeichnet. Die Form der Zykloide hängt vom Verhältnis der Schiffsgeschwindigkeit zur Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ab.

Es wurde auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, jede Schaufel einzeln mit einem Stellmotor zu bewegen [10]. Auf ein Koppelgetriebe für die Schaufelansteuerung könnte dann verzichtet und die Schaufelverstellung z. B. von einem Computer vorgenommen werden (Problem: Energie- und Signalübertragung an die Stellmotoren). Ein Leitlager und seine mechanische Verstellung wären verzichtbar. Über die Realisierung einer solchen Lösung ist nichts bekannt.

Zu erwähnen ist noch, dass der rotierende Radkörper (mit Gestänge) in einer zylindrischen Umhüllung gekapselt und so gegen Seewasser geschützt ist. Die durch die Umhüllung ragenden Schaufeln und das Lager für den Radkörper sind durch Dichtungsmanschetten abgedichtet [11]. Im eingangs gezeigten Foto ist der Radkörper schwarz, während die stillstehnden Teile mit blauer Farbe versehen sind.

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fähre „Breslau“ beim seitlichen Einparken in Brunsbüttel

Wegen seiner ausgezeichneten Eigenschaften zur Erhöhung der Manövrierbarkeit von Schiffen und seiner sehr guten Steuerbarkeit wird der Voith-Schneider-Antrieb bei Schleppfahrzeugen, Doppelendfähren, Fahrgastschiffen, Tonnenlegern, Schwimmkränen, Bohrinselversorgungsschiffen, Bugsteuermodulen und solchen Fahrzeugen eingesetzt, die hohe Manövrierfähigkeit benötigen oder gegen Wind, Strömung und Wellen auf der Stelle gehalten werden müssen (dynamic positioning). Im Binnenschiffbau kommt der Voith-Schneider-Antrieb auch beim Antrieb von Schubverbänden zur Anwendung. Im militärischen Einsatz wird der Propeller bei Minensuchbooten verwendet. Schon während des Zweiten Weltkriegs waren Minenräumboote in der nach dem Krieg so bezeichneten Capella-Klasse mit zwei Voith-Schneider-Antrieben ausgerüstet.

Literatur (Auswahl)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Kurt Benz: Der Voith-Schneider-Propeller als Schiffsmodellantrieb. Scholz, Wolfsburg 1980, ISBN 3-922414-10-9.
  • Theodor Vieweg: Der VSP-Antrieb im Schiffsmodell. Neckar-Verlag, Villingen-Schwenningen 1983, ISBN 3-7883-0187-2.
  • Birgit Jürgens, Werner Fork: Faszination Voith-Schneider-Propeller. Geschichte und Technik. Koehlers Verlag, Hamburg 2002, ISBN 3-7822-0854-4.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Voith Schneider propellers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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  1. DEPATISnet | Dokument DE000000453823A. Abgerufen am 5. Dezember 2017.
  2. DEPATISnet | Dokument DE000000413896A. Abgerufen am 21. November 2017.
  3. Patent EP0795466: Zykloidalsysteme mit Doppel- bzw. Mehrfach-Flügelsystemen. Angemeldet am 17. September 1997, veröffentlicht am 18. Juli 2001, Anmelder: Voith Hydro GmbH, Erfinder: Amelang Andreas.
  4. Achmed Khammas - Das Buch der Synergie - Teil C - BESONDERE WINDENERGIESYSTEME. Abgerufen am 22. November 2017.
  5. Patent EP1964774: Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und/oder Vortrieb. Angemeldet am 27. Februar 2008, veröffentlicht am 3. September 2008, Anmelder: Bauhaus Luftfahrt E.V., Erfinder: Dr. Jost Seifert.
  6. Patent DE102007009951: Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und/oder Vortrieb. Angemeldet am 1. März 2007, veröffentlicht am 31. Juli 2008, Anmelder: Bauhaus Luftfahrt E.V., Erfinder: Jost Seifert.
  7. DEPATISnet | Dokument DE000000704008A. Abgerufen am 21. November 2017.
  8. DEPATISnet | Dokument DE000019811251C1. Abgerufen am 21. November 2017.
  9. DEPATISnet | Dokument EP000000785129B1. Abgerufen am 21. November 2017.
  10. DEPATISnet | Dokument DE000000500340A. Abgerufen am 21. November 2017.
  11. DEPATISnet | Dokument DE000004337761C2. Abgerufen am 23. November 2017.