Welle aus Faserverbundwerkstoff mit

brandsicherer Schottwanddurchführung

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment übertragende Welle aus Faserverbundwerkstoff (auch als Komposit-Hohlwelle oder Faserverbundwelle bezeichnet), vorzugsweise eine Antriebswelle für ein Schiff, die durch eine benachbarte Abteilungen des Schiffes voneinander trennende und quer zur Längsachse des Schiffsrumpfes eingebaute Schottwand geführt ist.

Schottwände dienen einerseits der Trennung des Schiffsrumpfes in einzelne jeweils wasserdichte Abteilungen und andererseits der Bildung von Brandabschnitten.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Drehmoment übertragende Antriebswelle zwischen Motor und Propeller, Getriebe oder Generator, die oft als Hauptantrieb bezeichnet werden.

Im Falle eines Brandes in einer der Abteilungen des Schiffes, in der sich die Faserverbundwelle befindet, besteht die Gefahr, dass die Faserverbundwelle zu brennen beginnt. Aus diesem Grund werden Installationen und Schottwanddurchführungen mit solchen Wellen von den Schiffsklassifikationsgesellschaften meist nur unter der Maßgabe des Einbaus einer Wassersprinkleranlage zu Löschzwecken eines Brandes an der Faserverbundwelle und an der Schottwanddurchführung genehmigt. In besonderen Fällen genügt auch die Installation einer Wassersprinkleranlage nicht, und die Klassifikationsgesellschaft genehmigt den Einbau einer an sich vorteilhaft leichten Antriebswelle aus Faserverbundwerkstoff zum Beispiel zwischen Antriebsmotor und Getriebe oder Generator nicht, weil im Falle des Versagens der Sprinkleranlage und einem Vollbrand der Faserverbundwelle in der brandhemmend ausgeführten Schottwand ein Loch mit dem Durchmesser der Welle entsteht. Dabei besteht die Gefahr, dass das Feuer aus jener Abteilung des Schiffes, in der der Brand herrscht, in die benachbarte Abteilung, in der kein Brand herrscht, überschlägt. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antriebswelle bzw. eine Anordnung mit einer Antriebswelle brandsicher auszugestalten, wobei der anlagentechnische oder kostenmäßige Aufwand oder die Anforderungen an den Bauraumbedarf möglichst niedrig gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Antriebswelle gemäß Anspruch 1 bzw. ein Schiff gemäß Anspruch 10 gelöst.

Die Erfindung sieht vor, die Faserverbundwelle an jener Stelle, an der sie die Schottwand durchdringt, zwischen an- und abtriebsseitigen Schnittstellen mit zumindest einem Abschnitt aus nicht brennbarem Material auszuführen, insbesondere mit einem dünnwandigen, leichten Rohrabschnitt auszustatten, der bevorzugt aus Stahl besteht, und der zwei Abschlüsse (insbesondere Deckel) aufweist, die auch bevorzugt aus Stahl bestehen. Dabei wird der Rohrabschnitt mit den beiden Abschlüssen (im Folgenden auch „Verschluss" genannt) bevorzugt in die Faserverbundwelle integriert. Im Falle des Abbrennens jenes Teils der Faserverbundwelle, der sich in der unter Brand stehenden Abteilung befindet, kann der Verschluss aus nicht brennbarem Material bzw. aus Stahl die Brandsicherheit der Schottwand sicherstellen, da kein Loch in der Schottwand entstehen kann.

Bevorzugt weist der Abschnitt einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser der Faserverbundwelle. Hierdurch kann der Abschnitt in die Faserverbundwelle eingesteckt werden und mit Radialbolzen an der Faserverbundwelle befestigt werden. Gemäß vorteilhaften Ausführungsform ist das Faserverbundmaterial ein faserverstärkter, vorzugsweise glasfaserverstärkter Kunststoff, insbesondere ein glasfaserverstärkter Epoxid-Kunststoff. Damit kann ein kostengünstiger Werkstoff gewählt werden und gleichzeitig können die Sicherheits- Anforderungen erfüllt werden. Mit anderen Worten kann die Wahl des Faserverbundmaterials dank des Abschnitts weitgehend unabhängig von einer Brennbarkeit des Faserverbundmaterials erfolgen. Mit einem Epoxid können hohe Festigkeiten und eine lange Lebensdauer erzielt werden.

Bevorzugt ist der Abschnitt aus nicht brennbarem Material an seinen gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem Abschnitt der Komposit-Hohlwelle verbunden. Hierdurch kann der Abschnitt als ein axialer Teilabschnitt der Komposit-Hohlwelle ausgebildet sein und die Brandsicherheit kann allein durch die Welle mit dem Abschnitt sichergestellt werden.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform ist der Abschnitt aus nicht brennbarem Material durch ein Metallrohr gebildet. Dies liefert eine kostengünstige, rotationssymmetrische Anordnung und ermöglicht eine konstruktiv einfach ausgestaltete Abdichtung gegenüber der Schottwand. Die Brandsicherheit kann erhöht werden, ohne dass zusätzliche Anlagen oder Sicherheitsvorrichtungen separat vom Antriebsstrang erforderlich sind. Der Bauraumbedarf ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Komposit-Hohlwelle nicht größer.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform ist das Metallrohr ein- oder beidseitig durch einen metallischen Deckel verschlossen. Wahlweise kann der Deckel auch aus einem nichtmetallischen, nicht brennbarem Material ausgeführt sein. Hierdurch kann die Brandsicherheit weiter verbessert werden. Ein Feuer kann nicht durch den Abschnitt hindurchschlagen. Bevorzugt ist der (jeweilige) Deckel quer zur Rotationsachse der Antriebswelle ausgerichtet. Weiter bevorzugt ist der Deckel stirnseitig mit einem Flansch des Abschnitts verbunden, insbesondere in axialer Richtung mit dem Flansch verschraubt.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform ist das Metallrohr mit der Komposit- Hohlwelle über radiale Bolzen verbunden. Hierdurch kann eine einfache Montage sichergestellt werden. Der Abschnitt kann auch dann mit der Welle verbunden werden, wenn diese bereits in ihrer Endposition angeordnet ist. Durch die radiale Ausrichtung der Bolzen wird die Montage nicht durch die Schottwand erschwert.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform sind die radialen Bolzen durch radiale Durchgänge der Komposit-Hohlwelle gesteckt und wirken auf eine Außenmantelfläche der Komposit-Hohlwelle. Diese Art der Verbindung erfordert, abgesehen von den Durchgängen, keine weiteren Absätze oder Angriffsflächen an der Hohlwelle.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform ist in den radialen Durchgängen jeweils eine Hülse angeordnet, welche in den Abschnitt eingreift. Hierdurch kann eine genaue Positionierung in axialer Richtung erfolgen, und Kräfte in axialer Richtung der Welle können über die Hülse übertragen werden.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform weist das Metallrohr an wenigstens einem Ende einen Flansch auf, wobei das Metallrohr über den Flansch mittels bezüglich der Antriebswelle axial ausgerichteter Schraubbolzen mit der Komposit-Hohlwelle verbunden ist, wobei die Schraubbolzen mit in radiale Bohrungen der Komposit-Hohlwelle eingesetzten Quermutterbolzen verschraubt sind.

Die Bohrungen können auch als Durchgänge ausgebildet sein, die nicht nachträglich in die Komposit-Hohlwelle eingebracht werden, sondern bereits bei der Herstellung der Komposit-Hohlwelle vorgesehen werden, z.B. durch entsprechende Platzhalter bei einem Laminiervorgang.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform liegen die Schraubbolzen an dem wenigstens einen Flansch stirnseitig an. Hierbei kann eine Kraftübertragung direkt von den Schraubbolzen, insbesondere einem Bolzenkopf, auf den Abschnitt aus metallischem Material erfolgen, wobei wahlweise z.B. eine Unterlegscheibe vorgesehen sein kann, um die Kräfte noch flächiger auf den Abschnitt zu verteilen. Die zuvor genannte Aufgabe wird wie erwähnt auch durch ein Schiff gelöst, wobei das Schiff einen Schiffsrumpf und wenigstens eine quer zur Längsachse des Schiffsrumpfes verlaufende Schottwand sowie einen Motor und eine Antriebswelle zur Drehmoment übertragenden Verbindung des Motors mit einem Getriebe, einem Generator oder einem Propeller aufweist, wobei die Antriebswelle durch die Schottwand hindurch geführt ist und wenigstens eine Komposit-Hohlwelle aus Faserverbundmaterial aufweist, und wobei die Antriebswelle im Bereich der Durchführung durch die Schottwand zumindest einen mit der Komposit-Hohlwelle verbundenen Abschnitt aus nicht brennbarem Material aufweist.

Das Schiff kann eine Antriebswelle mit Merkmalen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufweisen.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform ist der Abschnitt symmetrisch in Bezug auf eine Ebene ausgebildet, in welcher sich die Schottwand erstreckt. Gemäß vorteilhaften Ausführungsform weist die Antriebswelle in dem Abschnitt aus nicht brennbarem Material eine Schottwanddichtung auf, die die Antriebswelle gegen die Schottwand wasserdicht abdichtet. Hierdurch können einzelne Abteilungen eines Schiffes kontrolliert geflutet werden.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsform liegt die Schottwanddichtung an einer Außenmantelfläche des Abschnitts an. Sie weist eine Erstreckung im Wesentlichen in radialer Richtung auf. Sie ist bevorzugt ringförmig ausgebildet. Hierdurch kann eine kostengünstige, robuste Abdichtung bereitgestellt werden.

In den nachfolgenden Zeichnungsfiguren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Anordnung, bei welcher ein

Verschluss gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Verbindung bestehend aus radialen Stahlbolzen mit den beiden Abschnitten der Faserverbundwelle verbunden ist; Figur 2 zeigt als Verbindung zwischen einem

Verschluss gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und den beiden Abschnitten der Faserverbundwelle eine spezielle Verbindung mittels T-Bolzen (axiale Schraubbolzen in Kombination mit Quermutterbolzen); und

Figur 3 zeigt die Anwendung eines Verschlusses an einer Antriebswelle aus Faserverbundwerkstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die zwischen einem Dieselmotor (rechts; nicht dargestellt) und einem Generator (links; nicht dargestellt) eingebaut ist. Figur 1 zeigt einen Abschnitt bzw. Verschluss 1 1 bzw. Rohrabschnitt für eine Antriebswelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bestehend aus einem dünnwandigen Stahlrohr 1 und Deckeln 2, wobei das Stahlrohr 1 mittels Radialbolzen 5 mit einer Faserverbundwelle 10 (links und rechts angrenzend) verbunden ist. Die Radialbolzen 5 sind jeweils durch in der Welle 10 vorgesehene Durchgänge 10a gesteckt. Die Deckel 2 sind jeweils in axialer Richtung mittels Schrauben 2a mit dem Abschnitt 1 1 verbunden. Die Schrauben 2a greifen stirnseitig in die Flansche 12 ein. Die Radialbolzen 5 sind in einem jeweiligen Flansch 12 des Abschnitts 1 1 verankert, insbesondere verschraubt. Der jeweilige Flansch 12 ist ringförmig mit einer Erstreckung radial nach innen ausgebildet und weist für einen jeweiligen Radialbolzen 5 eine Sacklochbohrung 13 und eine zentrisch darin angeordnete Innengewindebohrung 13a auf. In der jeweiligen Sacklochbohrung 13 ist eine Hülse 5a angeordnet, mittels welcher eine exakte winkelige Anordnung um die Wellenachse bzw. eine axiale Position des Abschnitts 1 1 in Bezug auf die Welle 10 sichergestellt werden kann. Dabei kann die Hülse 5a Kräfte zwischen dem Abschnitt 1 1 und der Welle 10 übertragen, ohne dass der Bolzen 5 beansprucht wird, und es kann verhindert werden, dass sich die Bolzenverbindung aufgrund von Vibrationen oder kleiner Relativbewegungen des Abschnitts 1 1 gegenüber der Welle 10 mit der Zeit lockert. Die Hülse 5a weist einen Rand 5a.1 auf, an welchem von einem Kopf des Bolzens 5 auf die Welle 10 ausgeübte Radialkräfte flächig in die Welle 10 eingeleitet werden können. Das Stahlrohr 1 weist eine Außenmantelfläche 14 auf, an der zwei Absätze 14a ausgebildet sind. An den Absätzen kann die Welle 10 jeweils zentriert werden. Die Absätze 14a überlappen in axialer Richtung die Flansche 12. Durch diese integrierte und ineinander gesteckte Anordnung kann eine hohe Festigkeit erzielt werden. Figur 2 zeigt einen Verschluss 1 1 für eine Antriebswelle bzw. Faserverbundwelle 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bestehend aus einem dünnwandigen Stahlrohr 1 und Deckeln 2, wobei das Stahlrohr 1 mittels einer T-Bolzenverbindung 6, 6a mit der Faserverbundwelle 10 verbunden ist. Die Deckel 2 sind jeweils in axialer Richtung mittels Schrauben 2a mit dem Abschnitt 1 1 verbunden. Die T- Bolzenverbindung 6, 6a ist jeweils durch einen Axialbolzen 6 und ein radial angeordnetes Eingriffselement 6a (Quermutterbolzen) gebildet, wobei das Eingriffselement 6a jeweils durch einen in der Welle 10 vorgesehenen Durchgang 10a gesteckt ist. Im jeweiligen Eingriffselement 6a ist ein Innengewinde ausgebildet, in welches der entsprechende Axialbolzen 6 eingreifen kann. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass in der Welle 10 aus Faserverbundmaterial ein Gewinde ausgebildet werden muss. Das Eingriffselement 6a ist lediglich in den entsprechenden Durchgang 10a eingesteckt. Die Eingriffselemente 6a können einen in Bezug auf die Wandstärke der Welle 10 verhältnismäßig großen Durchmesser aufweisen, so dass von den Axialbolzen 6 ausgeübte Zugkräfte auf eine große Fläche und damit bei verhältnismäßig geringen Druckkräften zwischen der Welle 10 bzw. dem entsprechenden Wellenabschnitt und dem Abschnitt 1 1 übertragen werden können. Ein jeweiliger Flansch 12 des Abschnitts 1 1 ist ringförmig mit einer Erstreckung radial nach außen ausgebildet und weist für einen jeweiligen Bolzen 6 eine axiale Durchgangsbohrung 13 auf. Die Schrauben 2a greifen stirnseitig in die Flansche 12 ein. Das Stahlrohr 1 weist eine Außenmantelfläche 14 auf, die einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Außendurchmesser der Faserverbundwelle 10. Ferner sind an den Flanschen 12 zwei Absätze 12a ausgebildet, an welchen die Welle 10 jeweils zentriert werden kann. An den Absätzen 12a ist der Abschnitt 1 1 in die Welle 10 bzw. den jeweiligen Wellenabschnitt eingesteckt und dadurch zumindest teilweise in die Welle 10 integriert. Die Flansche 12 überlappen die Welle 10 in radialer Richtung. Durch diese integrierte und aneinander anliegende Anordnung kann eine hohe Festigkeit erzielt werden, insbesondere können hohe Axialkräfte ohne das Auftreten von Scherkräften übertragen werden. Figur 3 zeigt eine Faserverbundwelle 10 mit einem Verschluss 1 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die durch eine Schottwand 3 geführt ist, wobei ein Dieselmotor (nicht dargestellt) in einer rechts von der Schottwand 3 befindlichen Abteilung angeordnet ist, und wobei die Faserverbundwelle 10 mit einer an einem Schwungrad des Dieselmotors montierten Gummikupplung 20 verbunden ist. An jener Stelle, an der die Faserverbundwelle 10 durch die Schottwand 3 geführt ist, ist der Verschluss 1 1 in die Welle 10 integriert und stellt so die Brandsicherheit der Faserverbundwelle 10 sicher. An der linken Seite der Faserverbundwelle 10 befindet sich eine Membrankupplung 30, die mit einer Generatorwelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Faserverbundwelle 10 überträgt dabei das Drehmoment von der am Dieselmotor angeordneten Kupplung (z.B. Gummikupplung mit Membranausgleichskupplung) auf die mit der Generatorwelle verbundene Kupplung (z.B. Membranausgleichskupplung). An jener Stelle, an welcher die Faserverbundwelle 10 die Schottwand 3 durchdringt, ist der Verschluss 1 1 mittels radialer Bolzenverbindungen 5 in die Welle integriert. Am Außendurchmesser des Verschlusses 1 1 befindet sich eine Schottwanddichtung 4, die die rotierende Welle 10 am Verschluss bzw. Abschnitt 1 1 gegen die Schottwand 3 wasserdicht abdichtet. Im Falle eines Wassereintritts in eine der beiden durch die Schottwand 3 getrennten Abteilungen verhindert die Schottwanddichtung 4 das Ausfließen des Wassers aus der gefluteten Abteilung in die trockene Abteilung. Die Schottwanddichtung 4 kann dabei in vorteilhafter Weise auf dem entsprechend verschleißfesten Außendurchmesser des Verschlusses 1 1 laufen bzw. zur Anlage kommen.

- Patentansprüche -