Schiffsantriebssystem mit mehreren elektrischen Antriebswellen

Die Erfindung betrifft ein Schiffsantriebssystem mit mehreren elektrischen Antriebswellen gemäß Patentanspruch 1 sowie eine vorteilhafte Verwendung eines derartigen Schiffsantriebssys ^¬ tem gemäß Patentanspruch 16.

Elektrische Antriebsanlagen auf Schiffen (z.B. auf vollelektrischen Schiffen) umfassen üblicherweise einen oder mehrere elektrische Antriebsmotoren zum Antrieb jeweils einer Vortriebseinheit (z.B. eines Propellers), die über jeweils einen Umrichter aus einem elektrischen Netz des Schiffes (häufig auch als „Fahrnetz" bezeichnet) gespeist werden. Das elektrische Netz wird wiederum von einem oder mehreren Dieselgeneratoren gespeist. Das elektrische Netz hat dabei eine Spannung fest vorgegebener Amplitude und Frequenz, z.B. eine Mittel- Spannung mit einer Nennspannung von 6.6 kV bei einer Nennfrequenz von 60 Hz. Gegebenenfalls ist zwischen den Umrichter und das Netz noch ein Transformator geschaltet. Die Umrichter wandeln die (ggf. heruntertransformierte) Netzspannung in ei ^¬ ne für den Betrieb der Antriebsmotoren benötigte Spannung mit von der Netzspannung unterschiedlicher Amplitude und Frequenz um.

Niederspannungsverbraucher an Bord eines Schiffes (z.B. Navi- gations- und Steuergeräte, Lautsprecheranlage, Beleuchtung) werden durch ein separates Bordnetz versorgt, das üblicherweise eine Nennspannung von 400 V bei einer Nennfrequenz von 50 Hz oder 440V bei 60 Hz hat. Das Bordnetz kann unabhängig von dem Fahrnetz von eigenen Bordnetzgeneratoren mit elektrischer Energie gespeist werden. Alternativ kann das Bordnetz über einen Bordnetzumrichter und ggf. einen Transformator aus dem Fahrnetz versorgt werden. Der Bordnetzumrichter und ggf. der Transformator wandelt die Spannung des Fahrnetzes in eine Spannung mit der Amplitude und Frequenz des Bordnetzes um. Ein großer Vorteil dieser Lösung ist, dass durch den Umrichter Rückwirkungen auf das Fahrnetz aufgrund von Laststößen (z.B. wenn ein Propeller bei schwerer See aus dem Wasser auf- und wieder eintaucht) vermieden werden können, wenn dieser entsprechend groß dimensioniert ist. Neben vielen anderen Vorteilen haben diese Antriebskonzepte aber den Nachteil, dass sie eine größere Zahl Umrichter zur Spannungsumwandlung im Fahrnetz mit entsprechendem Platzbedarf und Kosten benötigen .

Eine weitere bekannte elektrische Antriebslösung, die ohne derartige Umrichter auskommt, besteht darin, die Generatoren und die Antriebsmotoren ohne zwischengeschaltete Umrichter miteinander zu koppeln. Bei einer derartigen Antriebslösung werden ein oder mehrere drehzahlveränderbare Antriebsmotoren ohne zwischengeschalteten Umrichter direkt mit der von einem oder mehreren drehzahlveränderbaren Generatoren erzeugten Spannung variabler Amplitude und variabler Frequenz betrieben .

Die Steuerung und/oder Regelung der Motoren und somit der Vortriebseinheiten erfolgt somit indirekt durch eine Steue ^¬ rung und/oder Regelung der Verbrennungskraftmaschinen zum Antrieb der Generatoren. Die Antriebsmotoren sind dabei elekt- risch fest mit den Generatoren gekoppelt, d.h. eine Drehbewe ^¬ gung der Generatoren bewirkt eine entsprechend proportionale Drehbewegung der elektrischen Antriebsmotoren. Es wird somit die Funktion einer mechanischen Welle mit Hilfe von elektrischen Maschinen nachgebildet. Eine derartige Antriebslösung wird häufig als eine „elektrische Welle" bezeichnet.

Es ist dabei auch bekannt, aus der elektrischen Welle über einen Bordnetzumrichter und ggf. einen Transformator elektrische Energie auszukoppeln, d.h. ein Bordnetzumrichter und ggf- ein Transformator wandelt die von dem (den) Genera ^¬ tor (en) erzeugte Spannung variabler Amplitude und variabler Frequenz in eine Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz für ein Bordnetz um. Mehrhüllen-Schiffe wie z.B. Katamarane oder Trimarane mit Ge ^¬ schwindigkeiten von über 40 Knoten eignen sich besonders für Express-Fähren und Navy-Anwendungen, bei denen es auf hohe Geschwindigkeiten ankommt. Sie erfreuen sich deshalb zuneh- mender Beliebtheit. Diese Schiffe weisen für den Vortrieb beispielsweise Waterjets auf, die mechanisch direkt mit Die ^¬ selmotoren oder Gasturbinen gekoppelt sind und von diesen angetrieben sind. Durch den mechanischen Direktantrieb kommt es allerdings zu Einschränkungen im Schiffsentwurf, die ein op- timales schiffbauliches Design des Schiffes (u.a. unter den Aspekten der Hydrodynamik und Funktionalität) verhindern.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein - insbesondere für Hochgeschwindigkeits-Mehrhüllen-Schiffe geeigne- tes - Schiffsantriebssystem anzugeben, das sich durch eine hohe Ausfallsicherheit und Energieeffizienz auszeichnet und einen optimalen Schiffsentwurf ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Schiffsantriebs- System gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Schiffsantriebssystem sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 15. Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Schiffsantriebssystems ist Gegenstand des Patentanspruchs 16. Ein erfindungsgemäßes Schiffsantriebssystem umfasst zumindest eine erste und eine zweite elektrische Antriebswelle zum An ^¬ trieb jeweils einer Vortriebseinheit, insbesondere eines Wa ^¬ terjets, wobei jede der elektrischen Antriebswellen zumindest einen von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen dreh- zahlveränderbaren Generator zur Erzeugung einer Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz und zumindest einen mit dieser Motorspannung versorgten und mit einer Vortriebseinheit gekoppelten drehzahlveränderbaren Antriebsmotor umfasst. Die erste und die zweite Antriebswelle sind dabei von einem ersten Betriebszustand, in dem sie elektrisch voneinander getrennt sind, in einen zweiten Betriebszustand schaltbar, in dem sie elektrisch derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Energieübergabe von dem zumindest einen Gene- rator der einen Antriebswelle zu dem zumindest einen An ^¬ triebsmotor der anderen Antriebswelle erfolgen kann.

Durch die Verwendung elektrischer Antriebswellen ergibt sich im Vergleich zu mechanischen Direktantrieben eine wesentlich größere Gestaltungsfreiheit im Schiffsentwurf, da die Ver ^¬ brennungskraftmaschinen nicht in der Nähe der Vortriebseinheiten, sondern getrennt davon an einem anderen Ort im Schiff angeordnet werden können. Auch im Vergleich zu umrichter- gespeisten dieselelektrischen Antrieben ergeben sich Vorteile, da durch den Wegfall der Umrichter Platz und Gewicht eingespart werden, was insbesondere in Hochgeschwindigkeits- Mehrhüllenschiffen wie z.B. Katamaranen und Trimaranen von Bedeutung ist. Durch die Möglichkeit, in dem zweiten Be- triebszustand elektrische Energie von einer Antriebswelle auf die andere zu übergeben, kann bei Ausfall der Energieerzeu ^¬ gung in einer der Antriebswellen die Energie durch den zumindest einen Generator der anderen Antriebswelle geliefert werden. Hierdurch kann eine hohe Standfestigkeit des Schiffes erzielt werden, was insbesondere für Navy-Schiffe wichtig ist. Außerdem kann der Gesamtenergieverbrauch des Schiffsantriebssystems optimiert werden, da beispielsweise im niedri ^¬ gen Geschwindigkeitsbereich, bei dem die Verbrennungskraftmaschinen mit relativ schlechtem Wirkungsgrad arbeiten, gezielt die Energieerzeugung einer Antriebswelle abgeschaltet und die für den Betrieb ihrer Antriebsmotoren benötigte elektrische Energie von einem oder mehreren Generatoren der anderen Antriebswelle erzeugt und übergeben werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Schiffsantriebssystem noch eine dritte elektrische Antriebswelle zum Antrieb einer weiteren Vor ^¬ triebseinheit, insbesondere eines Waterjets, wobei die dritte Antriebswelle zumindest einen von einer Verbrennungskraftma- schine angetriebenen drehzahlveränderbaren Generator zur Erzeugung einer Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz und zumindest einem mit dieser Motorspannung versorgten und mit der weiteren Vortriebseinheit gekoppelten drehzahlveränderbaren Antriebsmotor umfasst, und wobei die erste und die dritte Antriebswelle von einem ersten Betriebs ^¬ zustand, in dem sie elektrisch voneinander getrennt sind, in einen zweiten Betriebszustand schaltbar sind, in dem sie elektrisch derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Ener ^¬ gieübergabe von dem zumindest einen Generator der einen Antriebswelle zu dem zumindest einen Antriebsmotor der anderen Antriebswelle erfolgen kann. Hierdurch können die Vortriebskraft (und somit beispielsweise die Höchstgeschwindigkeit des Schiffes) , die Ausfallsicherheit und die Energieeffizienz noch weiter erhöht werden.

Bevorzugt weist der zumindest eine Generator eine Supralei ^¬ ter-Wicklung, insbesondere eine Hoch-Temperatur-Supraleiter (HTS)- Wicklung, auf. Bei der Supraleiter-Wicklung kann es sich um eine Ständerwicklung oder um eine rotierende Läuferwicklung des Generators handeln. Generatoren in Supraleitertechnik weisen im Vergleich zu konventionellen Maschinen eine größere Leistungsdichte (d.h. Leistung bezogen auf das Bauvo- lumen) auf. Hierdurch sind noch weitergehende Optimierungen im Schiffsentwurf möglich. Durch das vergleichsweise geringere Gewicht können bei gleichbleibender Antriebsleitung die Höchstgeschwindigkeit und/oder die Nutzlast des Schiffes er ^¬ höht werden. Ein Generator mit einer Supraleiter-Wicklung weist zudem üblicherweise einen im Vergleich zu einem konventionellen Generator ohne Supraleiter-Wicklung wesentlich größeren magnetischen Luftspalt zwischen Läufer und Ständer auf. Dies liegt vor allem daran, dass der Supraleiter durch einen Vakuumkryostaten oder eine ähnliche Kühleinrichtung gekühlt wird, dessen bzw. deren Wandung im Luftspalt verläuft. Der relativ große magnetische Luftspalt bewirkt, dass der Genera ^¬ tor eine wesentlich geringere synchrone Reaktanz als ein konventioneller Generator aufweist. Dies führt dazu, dass bei gleicher elektrischer Leistung ein HTS-Generator im Vergleich zu einem herkömmlichen Generator eine deutlich steifere

Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist. Hierdurch kommt es bei LastaufSchaltungen oder -stoßen zu keinem Einbruch der von dem Generator erzeugten Spannung. Spannungs- und Frequenz- Schwankungen in der elektrischen Welle können hierdurch reduziert werden. Damit wird keine aufwändige Regelung für die elektrische Welle zur Stabilisierung der Spannung der Antriebswelle und der Drehzahl der Antriebsmotoren bzw. der Vortriebseinheit benötigt.

Wenn auch der zumindest eine Antriebsmotor eine Supraleiter- Wicklung, insbesondere eine Hoch-Temperatur-Supraleiter

(HTS)- Wicklung, aufweist, kann er bei geringer Baugröße sehr leistungs- und drehmomentstark ausgebildet werden, was insbe ^¬ sondere für Hochgeschwindigkeits-Schiffe wie z.B. Katamarane und Trimarane bedeutsam ist.

Vorzugsweise ist die Supraleiter-Wicklung eine rotierende Läuferwicklung, da bei dieser die zu kühlende Oberfläche kleiner als bei einer Supraleiter-Ständerwicklung gehalten werden kann.

Die Kopplung der Antriebswellen kann besonders verlustarm durch eine elektrische Leitungsverbindung erfolgen, die vorzugsweise einen Supraleiter, insbesondere einen Hoch- Temperatur-Supraleiter (HTS) umfasst.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dienen die zweite und die dritte Antriebswelle als Hauptantrieb für ei ^¬ nen unteren Geschwindigkeitsbereich des Schiffes (z.B. von Null bis 30 Knoten) und die erste Antriebswelle alleine oder im Verbund mit der zweiten und der dritten Antriebswelle als Hauptantrieb für einen höheren Geschwindigkeitsbereich bis zur Höchstgeschwindigkeit (z.B. bis 45 Knoten) des Schiffes.

Die Verbrennungskraftmaschine der ersten Antriebswelle ist dabei von Vorteil als eine Gasturbine und die Verbrennungs ^¬ kraftmaschinen der zweiten und der dritten Antriebswelle sind von Vorteil als Dieselmotoren ausgebildet.

Das Schiffsantriebssystem umfasst bevorzugt einen mit der Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz einer der Antriebswellen versorgten Bordnetzumrichter, der diese Motorspannung in eine Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz für ein Bordnetz umwandelt. Besondere Vorteile ergeben sich dabei, wenn der zumindest eine Genera- tor der Antriebswelle eine Supraleiter-Wicklung aufweist und sich somit die Antriebswelle durch eine besondere Steifigkeit auszeichnet. Durch die Vermeidung von Spannungs- und Fre ^¬ quenzschwankungen auf der elektrischen Welle aufgrund der Steifigkeit der Kennlinie des Generators bzw. der Generatoren können dann auch unzulässige Schwankungen in der von dem

Bordnetz-Umrichter erzeugten Spannung und somit Sicherheitsabschaltungen des Bordnetz-Umrichters oder eine Überdimensio ^¬ nierung des Bordnetz-Umrichters vermieden werden.

Zur weiteren Erhöhung der Ausfallsicherheit kann das Schiffs ^¬ antriebssystem auch einen mit der Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz der zweiten Antriebswelle versorgten ersten Bordnetzumrichter, der diese Spannung in eine Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz für ein erstes Teilbordnetz umwandelt, und einen mit der Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz der dritten Antriebswelle versorgten zweiten Bordnetzumrichter, der diese Spannung in eine Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz für ein zweites Teilbordnetz umwandelt, umfassen.

Die Ausfallsicherheit kann dabei noch dadurch erhöht werden, dass die die beiden Teilbordnetze miteinander koppelbar sind. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Schiffsantriebssystem zumindest einen zusätzlichen Bordnetzgenerator zur Versorgung des Bordnetzes oder eines Teilbord ^¬ netzes mit einer Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz. Hierdurch kann die Spannungsversorgung des Bordnetzes sichergestellt werden, auch wenn die elektrische Antriebswelle abgeschaltet ist (z.B. im Hafen) oder wenn die gesamte Generatorenleistung der Antriebswelle für Antriebs ^¬ zwecke benötigt wird. Wenn der zumindest eine Generator der Antriebswelle von der ihn antreibenden Verbrennungskraftmaschine wahlweise mit ei ^¬ ner festen oder mit einer variablen Frequenz antreibbar ist, ergeben sich weitere Einsatzmöglichkeiten dieser Komponenten. Beispielsweise kann der zumindest eine Generator zur Hafen ^¬ stromversorgung anderer Schiffe verwendet werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die An- triebswelle von einem Betriebszustand, bei dem der zumindest eine Generator der Antriebswelle ohne eine Zwischenschaltung eines Bordnetzumrichters elektrisch mit dem zumindest einen Antriebsmotor der Antriebswelle gekoppelt ist und eine Span ^¬ nung variabler Amplitude und Frequenz erzeugt, in einen Be- triebszustand schaltbar, bei dem der zumindest eine Generator der Antriebswelle über einen Bordnetzumrichter mit dem zumindest einen Antriebsmotor der Antriebswelle elektrisch gekoppelt ist, wobei der Bordnetzumrichter eine Spannung variabler Amplitude und Frequenz erzeugt.

Von dem in einem Normalbetrieb vorliegenden ersten Betriebszustand kann dann für kleine Drehzahlanforderungen an die Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Generators, insbe ^¬ sondere für Drehzahlanforderungen, die unter einer Mindest- drehzahlanforderung der Verbrennungskraftmaschine liegen, in den zweiten Betriebszustand gewechselt werden, bei dem der Bordnetzumrichter in die elektrische Antriebswelle, d.h. in die elektrische Verbindung zwischen dem zumindest einen Gene ^¬ rator und dem zumindest einen Antriebsmotor der Antriebswel- le, geschaltet ist. Mittels des Bordnetzumrichters und ggf. eines oder mehrerer Transformatoren kann dann der Antriebsmotor mit einer Spannung gespeist werden, die eine niedrigere Frequenz als die von dem Generator erzeugte Spannung aufweist. Der Antriebsmotor kann dann auch bei niedrigen Dreh- zahlen mit einem relativ hohen Drehmoment die Vortriebseinheit antreiben. Hierdurch ist für niedrige Drehzahlen kein Verstellpropeller notwendig, sondern es kann ein Festpropeller zum Einsatz kommen. Alternativ und/oder ergänzend kann die Antriebswelle von ei ^¬ nem Betriebszustand, bei dem der zumindest eine Generator der Antriebswelle ohne eine Zwischenschaltung des Bordnetzumrichters elektrisch mit dem zumindest einen Antriebsmotor der Antriebswelle gekoppelt ist und eine Spannung variabler Amp ^¬ litude und Frequenz erzeugt, in einen Betriebszustand schalt ^¬ bar sein, bei dem das Bordnetz oder Teilbordnetz über den Bordnetzumrichter mit dem zumindest einen Antriebsmotor der Antriebswelle elektrisch gekoppelt ist, wobei der Bordnetzum ^¬ richter eine Spannung variabler Amplitude und Frequenz erzeugt. Hierdurch kann der Antriebsmotor ebenfalls bei niedrigen Drehzahlen mit einem relativ hohen Drehmoment die Vortriebseinheit antreiben. Außerdem kann der Antriebsmotor bei einem Ausfall der Generatoren der elektrischen Welle aus dem Bordnetz versorgt werden.

Die Erfindung eignet sich aufgrund der vorstehen erwähnten Vorteile besonders zur Verwendung in einem Mehrhüllen-Schiff, insbesondere in einem Katamaran oder einem Trimaran.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:

FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

SchiffsantriebsSystems ,

FIG 2 eine Strom-Spannungskennlinie eines HTS-Generators bei einer LastaufSchaltung,

FIG 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä ^¬ ßen Schiffsantriebssystem in einem ersten Betriebszustand,

FIG 4 das Ausführungsbeispiel von FIG 3 in einem ersten Son- derbetriebszustand und

FIG 5 das Ausführungsbeispiel von FIG 3 in einem zweiten

Sonderbetriebs zustand . Ein in FIG 1 gezeigtes erfindungsgemäßes Schiffsantriebssys ^¬ tem 1 umfasst drei elektrische Antriebswellen 11, 12, 13 zum Antrieb jeweils einer Vortriebseinheit in Form eines Water ^¬ jets (Wasserstrahlantriebs) 2.

Die erste Antriebswelle 11 umfasst einen von einer Gasturbine

3 angetriebenen drehzahlveränderbaren Generator 4 zur Erzeugung einer Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz und einen mit dieser Motorspannung versorgten und mit einem Waterjet 2 gekoppelten drehzahlveränderbaren Antriebsmotor 5.

Die zweite und die dritte Antriebswelle 12, 13 umfassen je ^¬ weils einen von einem Dieselmotor 6 angetriebenen drehzahl- veränderbaren Generator 4 zur Erzeugung einer Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz und einen mit dieser Motorspannung versorgten und mit einem Waterjet 2 gekoppelten drehzahlveränderbaren Antriebsmotor 5. Bei den Antriebswellen 11, 12, 13 sind jeweils ein Generator

4 und ein Antriebsmotor 5 über einen Sammelleiter 7 miteinander elektrisch verbunden. Der Anschluss der Generatoren 4 und der Antriebsmotoren 5 an den Sammelleiter 7 erfolgt dabei über jeweils einen Schalter 9. Der Sammelleiter 7 und die Schalter 9 sind ein Bestandteil einer Schaltanlage 8. Der

Sammelleiter 7 der ersten Antriebswelle 11 ist dabei über ei ^¬ ne Leitungsverbindung 14 mit dem Sammelleiter 7 der zweiten Antriebswelle 12 und über eine Leitungsverbindung 15 mit dem Sammelleiter 7 der dritten Antriebswelle 13 verbindbar. Der Anschluss der Leitungsverbindungen 14, 15 an die Sammelleiter 7 erfolgt dabei über jeweils einen Schalter 16.

Über die Leitungsverbindungen 14, 15 und die Schalter 16 ist die erste Antriebswelle 11 wahlweise mit der zweiten und/oder der dritten Antriebswelle 12, 13 koppelbar.

Zwischen einem Generator 4 und der bzw. dem ihn antreibenden Gasturbine 3 bzw. Dieselmotor 6 sowie zwischen dem Waterjet 2 und dem ihn antreibenden Antriebsmotor 5 kann zusätzlich noch ein mechanisches Getriebe geschaltet sein. Außerdem können die Antriebswellen 11, 12, 13 statt nur jeweils eines einzigen Generators 4 und Antriebsmotors 5 auch mehrere Generato ^¬ ren und/oder Antriebsmotoren umfassen.

Mit der von den Generatoren 4 der elektrischen Antriebswellen 12, 13 erzeugten Spannung variabler Amplitude und variabler Frequenz wird über einen Transformator 21 zusätzlich jeweils ein Bordnetz-Umrichter 22 betrieben, der diese variable Span- nung in eine Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz für jeweils ein Teilbordnetz 20 umwandelt. Aus dem Teilbordnetz 20 werden nicht näher dargestellte Niederspannungsverbraucher des Schiffes (z.B. Navigations- und Steuergeräte, Lautsprecheranlage, Beleuchtung) versorgt. Das Teil- bordnetz 20 hat üblicherweise eine Nennspannung von 400V bei einer Nennfrequenz von 50 Hz oder 440V bei 60 Hz. Die beiden Teilbordnetze 20 sind über Schalter 23 miteinander koppelbar, so dass die Versorgung beider Teilbordnetze 20 auch bei Aus ^¬ fall oder Abschaltung einer der beiden Antriebswellen 12, 13 möglich ist.

Jeweils ein von einer Verbrennungskraftmaschine 24 angetrie ^¬ bener zusätzlicher Hafengenerator 25 dient, vorzugsweise über einen nicht näher dargestellten nachgeschalteten Umrichter, zur Versorgung jeweils eines Teilbordnetzes 20 oder der mit ^¬ einander gekoppelten Teilbordnetze 20 mit einer Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz bei abgeschalteten elektrischen Wellen 12, 13, beispielsweise wenn sich das Schiff im Hafen befindet und keine Antriebsleistung benötigt oder wenn die gesamte Leistung der Generatoren 4 für den Antrieb benötigt wird. Ergänzend und/oder alternativ können die Teilbordnetze 20 statt durch den Hafengenerator 25 auch durch eine Batterie oder durch Brennstoffzellen gespeist werden. Im Normalbetrieb befindet sich das Schiffsantriebssystem 1 in einem ersten Betriebszustand, bei dem die Schalter 9 ge ^¬ schlossen und die Schalter 16 geöffnet sind. Die Antriebsmotoren 5 werden ohne einen zwischengeschalteten Umrichter mit der von dem jeweiligen Generator 4 erzeugten Spannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz betrieben. Die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl der An- triebsmotoren 5 und somit der Waterjets 2 erfolgt somit indi ^¬ rekt durch die Steuerung und/oder Regelung der Gasturbine 3 bzw. der Dieselmotoren 6 zum Antrieb der Generatoren 4. Eine Drehbewegung der Gasturbine 3 bzw. der Dieselmotoren 6 und folglich der Generatoren 4 bewirkt somit eine entsprechend proportionale Drehbewegung der Motoren 5. Es wird somit die Funktion einer mechanischen Welle mit Hilfe von elektrischen Maschinen nachgebildet.

Die zweite und die dritte Antriebswelle 12, 13 dienen dabei als Hauptantrieb für einen unteren Geschwindigkeitsbereich des Schiffes (z.B. bis 30 Knoten) und die erste Antriebswelle 11 alleine oder im Verbund mit der zweiten und der dritte An ^¬ triebswelle dient als Hauptantrieb für einen höheren Ge ^¬ schwindigkeitsbereich bis zur Höchstgeschwindigkeit (z.B. 45 Knoten) des Schiffes. Die Leistung der Dieselmotoren beträgt beispielsweise 1 MW bis 20 MW, insbesondere 10 MW und die der Gasturbine 5 MW bis 30 MW, insbesondere 20 MW.

Die Generatoren 4 sind dabei als Synchronmaschinen mit einer rotierenden HTS-Feldwicklung (d.h. einer HTS-Wicklung im Läufer) ausgebildet. Derartige Maschinen weisen eine geringe synchrone Reaktanz und deshalb große Steifigkeit in ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie auf. Beispielhaft zeigt hierzu FIG 2 die Kennlinie eines Synchrongenerators mit einer rotieren- den HTS-Feldwicklung und einer Leistung von 400kW für den Fall einer Voll-LastaufSchaltung von Null auf 380kW. Eine derartige Maschine weist beispielsweise eine synchrone Längs ^¬ reaktanz x _d = 0,15 auf. Wie aus dem Verlauf der Stromkurve I und der Spannungskurve U ersichtlich ist, kommt es beim Zu- schalten der Last zum Zeitpunkt t _z zu keinen Einbrüchen der Spannung U. Dies zeigt das äußerst stabile Betriebsverhalten einer derartigen Maschine auch unter extremen Lastschwankungen . Für die Bordnetz-Umrichter 22 sind somit bei Laststößen auf Seite der Waterjets (wie sie z.B. bei schwerer See verursacht werden können) keine Rückwirkungen auf ihre Eingangsspannung spürbar. Die Bordnetz-Umrichter 22 können somit mit wesentlich geringeren dynamischen Reserven ausgestattet werden als bei der Verwendung konventioneller Synchronmaschinen ohne HTS-Wicklung als Generatoren in den Antriebswellen 11, 12, 13. Außerdem kann in den Antriebswellen 11, 12, 13 auf eine aufwendige Regelung zur Stabilisierung der Drehzahl (bzw.

Spannung und Frequenz) des jeweiligen Antriebsmotors 5 bzw. Waterjets 3 verzichtet werden.

Von Vorteil sind auch die Antriebsmotoren 5 als leistungs- und drehmomentstarke Synchronmaschinen mit einer rotierenden HTS-Feldwicklung (d.h. einer HTS-Wicklung im Läufer) ausgebildet .

Durch Schließen der Schalter 16 sind für besondere Betriebs- Situationen die erste Antriebswelle 11 und die zweite An ^¬ triebswelle 12 sowie die erste Antriebswelle 11 und die drit ^¬ te Antriebswelle 13 von einem ersten Betriebszustand, in dem sie elektrisch voneinander getrennt sind, in einen zweiten Betriebszustand schaltbar, in dem sie elektrisch derart mit- einander gekoppelt sind, dass eine Energieübergabe von dem Generator 4 der einen Antriebswelle zu dem Antriebsmotor 5 der anderen Antriebswelle erfolgen kann. Über den Sammelleiter 7 der ersten Antriebswelle 11 ist zudem auch eine Energieübergabe zwischen der zweiten und der dritten Antriebswel- le 12, 13 möglich.

Hierdurch ist zum einen eine Energieversorgung einer Antriebswelle auch bei einem Ausfall ihrer Energieerzeuger (d.h. Gasturbine 3 oder Dieselmotor 6) möglich, wodurch ins- besondere bei Navy-Schiffen die Standfestigkeit deutlich er ^¬ höht werden kann. Zum anderen kann die Energieerzeugung bedarfsgerecht mit gerade so vielen Energieerzeugern erfolgen, dass diese in einem Betriebspunkt mit einem guten Wirkungs ^¬ grad arbeiten.

Durch eine Synchronisierung der Amplitude, Frequenz und Phase der von den Generatoren 4 erzeugten Spannung kann ein Antriebsmotor 5 auch gleichzeitig von Generatoren 4 unterschiedlicher Antriebswellen gespeist werden.

Durch die Steifigkeit der Strom-Spannungskennlinien der An- triebswellen 11, 12, 13 kann auch im zweiten Betriebszustand des Schiffantriebssystems auf eine aufwendige Regelung zur Stabilisierung der Drehzahlen (bzw. Spannung und Frequenz) der Antriebsmotoren 5 bzw. Waterjets 3 und der Ausgangsspannung der Bordnetzumrichter 22 verzichtet werden.

Bevorzugt kommt das Schiffsantriebssystem 1 in einem Trimaran zur Anwendung. Dabei befinden sich die Antriebswellen 11, 12, 13 mit den Waterjets 3 im der mittleren Schiffshülle des Tri- marans . Natürlich kann ein Schiff auch mehr als drei derarti- ge Waterjets 3 mit entsprechender Anzahl elektrischer Antriebswellen aufweisen.

Ein in FIG 3 gezeigtes Schiffsantriebssystem 30 unterscheidet sich von dem in FIG 1 gezeigten Schiffsantriebssystem 1 zum einen dadurch, dass es Propeller 34 anstatt Waterjets als Vortriebseinheiten aufweist und dass die erste elektrische Antriebswelle 11 einen Dieselmotor 6 anstatt einer Gasturbine zum Antrieb des Generators 4 aufweist. Die Propeller 34 müs ^¬ sen bei relativ kleinen Drehzahlen und relativ kleiner Leis- tung betrieben werden können. Dort weisen die Dieselmotoren 6 einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf. Das Fahrnetz mit den Sammelleitern 7 ist beispielsweise ein Mittelspannungs- fahrnetz mit einer Spannung von 6.6 kV/60Hz und das Bordnetz 20 weist eine Spannung von 660V/60Hz auf.

Das Schiffsantriebssystem 30 unterscheidet sich von dem in FIG 1 gezeigten Schiffsantriebssystem 1 zum anderen dadurch, dass die zweite und die dritte Antriebswelle 12, 13 von einem in FIG 3 gezeigten Normalbetriebszustand, bei dem die An ^¬ triebswellen 12, 13 über jeweils einen Transformator 21 und einen Bordnetzumrichter 22 elektrisch mit jeweils einem Teilbordnetz 20 gekoppelt sind und bei dem der Generator 4 der Antriebswelle 12, 13 ohne eine Zwischenschaltung des Bordnet ^¬ zumrichters 22 elektrisch mit dem Antriebsmotor 5 der jeweiligen Antriebswelle 12, 13 gekoppelt ist, in einen in FIG 4 gezeigten ersten Sonderbetriebszustand schaltbar ist, bei dem der Generator 4 der Antriebswelle 12, 13 über den Transforma- tor 21, den Bordnetzumrichter 22 und einen Transformator 37 mit dem Antriebsmotor 5 der jeweiligen Antriebswelle 12, 13 elektrisch gekoppelt ist.

Im Normalbetriebszustand werden die Generatoren 4 dann wie vorstehend beschrieben derart von den Dieselmotoren 6 angetrieben, dass sie eine Motorspannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz erzeugen. Mit dieser variablen Spannung wird zum einen der jeweilige Antriebsmotor 5 versorgt. Zum anderen wird diese variable Spannung über den jeweiligen Transformator 21 und den Bordnetzumrichter 22 dann in die

Spannung konstanter Amplitude und Frequenz des Teilbordnetzes 20 umgewandelt.

Bei Drehzahlanforderungen an die Dieselmotoren 6 unterhalb ihrer Mindestdrehzahlanforderung kann das Schiffsantriebssystem 30 von dem Normalbetriebszustand in den ersten Sonderbe ^¬ triebszustand umgeschaltet werden. Die Generatoren 4 werden dann von den Dieselmotoren 6 mit deren Mindestdrehzahl angetrieben, so dass sie eine Motorspannung mit konstanter Ampli- tude und Frequenzerzeugen. Diese Spannung wird über den jeweilig angeschlossenen Transformator 21, Bordnetzumrichter 22 und Transformator 37 in eine Spannung variabler Amplitude und Frequenz für die Versorgung des jeweiligen Antriebsmotors 5 umgewandelt, wobei die Frequenz der umgewandelten Spannung kleiner ist als die Frequenz der von dem Generator 4 erzeugten Spannung. Der Bordnetzumrichter 22 ist hierzu ausgangsseitig über einen Schalter 31 entweder mit dem Teilbordnetz 20 oder über den Transformator 37 und einen Schalter 33 mit dem Antriebsmotor 5 verbindbar. Der Antriebsmotor 5 ist wiederum über den

Schalter 33 entweder (über den Transformator 37 und den

Schalter 31) mit dem Ausgang des Bordnetzumrichters 22 oder (über einen Schalter 35) mit dem Sammelleiter 7 der jeweiligen Antriebswelle 12, 13 verbindbar. Eingangsseitig ist der Bordnetzumrichter 22 über einen Schalter 36, den Transforma- tor 21 und einen Schalter 38 mit dem Sammelleiter 7 der jeweiligen Antriebswelle 12, 13 verbindbar.

In dem in FIG 2 gezeigten ersten Sonderbetriebszustand können die Teilbordnetze 20 entweder von dem jeweiligen Hafengenera- tor 25 oder über einen nicht näher dargestellten zusätzlichen Bordnetzumrichter, der beispielsweise über den Transformator 21 und den Schalter 38 an den Sammelleiter 7 anschließbar ist, mit Strom versorgt werden. Falls der Transformator 21 groß genug dimensioniert ist, kann alternativ ein Teilbordnetz 20 auch direkt über den Transformator 21 und den Schalter 38 an den Sammelleiter 7 anschließbar sein und somit ohne einen zwischengeschalteten Bordnetzumrichter direkt aus dem Sammelleiter 7 mit Strom versorgt werden. In diesem Fall ist dann auch ein Parallelbetrieb mit dem Bordnetzumrichter 22, über den der Antriebsmotor 5 mit Strom versorgt wird, möglich.

Bei einem in FIG 5 gezeigten zweiten Sonderbetriebszustand werden die Antriebsmotoren 5 über jeweils einen Bordnetzumrichter 22 aus einem Teilbordnetz 20 gespeist. Zur Stabilisierung der Teilbordnetze 20 sind diese von Vorteil über die Schalter 23 miteinander gekuppelt. Die Bordnetzumrichter 22 sind hierzu eingangsseitig über den Schalter 36 entweder mit dem jeweiligen Sammelleiter 7 oder mit dem jeweiligen Teilbordnetz 20 verbindbar. Ausgangsseitig ist der Bordnetzumrichter 22 über den Schalter 31 entweder mit dem Teilbordnetz 20 oder über den Transformator 37 und den Schalter 33 mit dem Antriebsmotor 5 verbindbar.

Der Bordnetzumrichter 22 erhält eingangsseitig eine Spannung konstanter Amplitude und Frequenz und wandelt diese in eine Spannung variabler Amplitude und Frequenz für die Versorgung des jeweiligen Antriebsmotors 5 um.

Der zweite Sonderbetriebszustand kann zum einen genutzt wer- den, um die Antriebsmotoren 5 bei einem Ausfall der Generatoren 4 durch die Hafengeneratoren 25 mit Strom zu versorgen.

Der zweite Sonderbetriebszustand kann aber auch alternativ zu dem ersten Sonderbetriebszustand genutzt werden, um die An- triebsmotoren bei geringen Drehzahlen, die zu einer Drehzahlanforderungen an die Dieselmotoren 6 führen, die unterhalb deren Drehzahlmindestanforderungen liegen, mit Strom zu versorgen . Wenn in diesem Fall der Bordnetzumrichter 22 eingangsseitig nicht aus dem (Teil-) Bordnetz 20, sondern von dem Generator 4 über den Sammelleiter 7 gespeist wird, erzeugt der Generator 4 eine Spannung konstanter Amplitude und Frequenz. Beispielsweise wird der den Generator 4 antreibende Dieselmotor 6 dann mit seiner Mindestdrehzahl betrieben. Der Bordnetzumrichter 22 wandelt dann die an seinem Eingang anliegende Spannung konstanter Amplitude und Frequenz dann in eine Spannung variabler Amplitude und Frequenz für die Versorgung des jeweili ^¬ gen Antriebsmotors 5 um, wobei die Frequenz der umgewandelten Spannung kleiner ist als die Frequenz der von dem Generator 4 erzeugten Spannung.

Die Teilbordnetze 20 können in dem zweiten Sonderbetriebszu ^¬ stand entweder von den Hafengeneratoren 25 oder über einen nicht näher dargestellten zusätzlichen Bordnetzumrichter, der beispielsweise über den Transformator 21 und den Schalter 38 an den Sammelleiter 7 angeschlossen ist, mit Strom versorgt werden .