CN100439201C - 船用推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明包括一种船用推进系统，其包括推进器(13、14)，定子外壳(1)和构成喷水式推进器的推进器壳体(3)，用于驱动推进器(13)的轴(11、12)和在定子外壳(1)内的该轴(11、12)的轴承装置，以及优选地在推进器壳体(3)内的该轴(11、12)的密封件(15)，其中，轴(11、12)由轻量轴组成，其具有比均质传统钢轴低得多的抗弯刚度，并且驱动力经由至少一个非弹性联轴器(11B，12A)并经由所述轴承装置传递到定子外壳(1)，所述轴承装置在弯曲方面是刚性的，并承受轴向载荷，从而实现高功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种船用推进系统，其中推进系统包括一个或几个安装在每个轴上的推进器，推进器产生驱使船向前的力。借助驱动轴在推进器壳体内可旋转的推进器配置有旋浆式叶片，其产生向后的射流。
背景技术
通常公知的船用推进装置，优选地是通过水射流使军用和民用船只快速运动的推进装置包括推进器。围绕设置有叶片的转动推进器的壳体固定地安装在船壳的后部。推进器一般由一钢轴驱动，该轴通过适宜的装置向柄延伸，而该装置又由一个或几个处于船壳内的发动机驱动。沿运动方向稍微向下倾斜的管状进水口设置在推进器壳体的前部，以便输送大量的水因此，驱动轴穿过所述管状进水口。借助处于推进器壳体下游的转向装置控制该船，该转向装置可以在不同方向上引导射流。也可向前引导该射流，而产生减速作用。
由于推进器的驱动轴贯穿进水口，进入推进器的水的入流在某种程度上被扰乱，这意味着在推进器叶片上的载荷产生分配不均衡。所述不均衡载荷意味着弯矩被向内向着推进器的固定点传递给推进器。由于这些影响推进器和它的固定点的力的变化，对轴承和密封件提出了十分高的要求。从SE424845中得知：通过将推进器固定地安装在轴上，并布置一允许某一角度偏差的轴承装置而解决所述问题。但是，由于所述方案需要一弯曲刚性的驱动轴(为了不冒太大角度偏差的之险)，因此使这一结构非常重。不寻常的是，在这个结构中，驱动轴的重量大约达到射水装置的总重的10％，(射水装置的重量包括泵单元的、推力轴承和轴颈轴承的、推进器和推进器壳体、转向和换向装置的重量，其中泵单元包括具有导向叶片的定子部件)。SE457165和SE504604中公开了另一种公知方案，其中使用不能处理角度偏差的轴承装置，在驱动轴和推进器之间采用一弹性联轴器，该联轴器处理角度偏差。同样，最后叙述的方案导致一较重的结构，尤其是由于这样的联轴器意味着额外的重量。另外，它意味看相当大的缺点，即联轴器在流动考虑上设置在临界状态，这意味着难于获得最佳的流动条件。
SE424845描述的结构本身具有满意的特性，但是如上所述，由于刚性的传统推进器轴很重。在某些应用中，尤其是对于军用船只，减轻重量同时在载荷十分大时得到最佳的流动条件是十分重要的，这意味着不能采用传统的射水器设计。另一种不期望在这种应用中在连接处采用联轴器的原因在于联轴器意味着功率限制。已经认识到在这种应用中限制功率传输的零件是不适宜的，尤其是对于通常能够传递较大功率，一般在3-30MW之间的功率的应用中。长期来，希望通过用较轻的轴替换传统推进器轴采减少重量，同时消除对弹性联轴器的需要。迄今，没有任何付诸实践。
的确在SE504604提到了可以消除弹性联轴器，但是它没有描述这是怎样实现的。而且，没有指出来自弯曲刚性轴的高应力是怎样处理的。而根据SE504604的结构表明了使用弹性联轴器，并导出如下实施例，其能够实现轴承单元向后拆卸。这意味着将力从推进器传给定子外壳的导向叶片必须具有十分有限的长度。而这又意味着获得关于重量、流动和强度的最佳解决方案的可能性是有限的。尤其是，它意味着相当大的的缺点，即传递十分大的功率的可能性在实际中是不能可行地实现的。因此，该结构不能提供好的功率密度的可能性(对于功率密度指最大功率输出除以射水单元的重量，包括泵单元的、推力轴承和轴颈轴承的、推进器和推进器壳体、转向和换向装置的重量，其中泵单元包括具有导向叶片的定子部件)，即在可以传递的最大功率方面重量相对较大。通过这种结构，对于入口直径大于1m的射水装置来说，难于实现大于1kW/kg的功率密度，而这是不希望和严重的限制。对于本领域技术人员很明显同种设计的功率密度随尺寸的增大而减少。
发明内容
本发明的目的是找出一种解决上述问题的最佳方案。所述目的通过如下的船用推进系统得以实现，该推进系统包括一推进器，一定子外壳和一用于构成喷水式推进器的推进器壳体，一用于驱动推进器的轴，和一在定子外壳内的用于该轴的轴承装置，其中，轴由具有比常规轴低得多的抗弯刚度的轻量轴构成，并且驱动力通过至少一个非弹性联轴器，并通过所述轴承装置传递到定子外壳，所述轴承装置在弯曲方面是刚性的，并且承受轴向载荷，以获得高功率密度。
由于采用了轻量轴，其变得在弯曲方面较差，就产生了使用在弯矩方面是刚性并承受轴向载荷的轴承装置并且同时在推进器和驱动轴端部之间使用非弹性联轴器(如通过螺钉固定)的条件。同时，相对弱的驱动轴满足实现重量减轻的目的。此外，由于在这个方面优化选择材料，能节省轴的成本。因此，轴可以做地较细，由于优选地直接固定到推进器上，可以获得最佳条件，以产生尽可能好的流动路径，而这又意味着减少了影响推进器轴承装置的弯曲力。
根据这样一种驱动系统的优选实施例，驱动轴至少主要由一种复合材料组成。首先，复合轴具有较大的优点，即可以获得十分小的重量。与传统钢轴相比重量能够减少到70％。另外，获得的优点是复合轴是特别可弯的，其对于轴承装置是有利的。低的抗弯刚度也是理想的，并且与传统的均质钢轴相比，抗弯刚度减少大约80％。
根据另一方面，复合轴包括第一碳材料的管状框架，优选地是碳纤维，其由第二纤维材料层(优选地是玻璃纤维)围绕，并优选地由抗腐蚀材料(优选为聚亚氨酯)的最外腐蚀保护层围绕。由于驱动轴部分地处于水流中，而水流中可能包含一些硬的和/或磨蚀的物体，而作为复合轴，例如碳纤维轴对冲击较敏感，因此优选实施例为分别具有抗冲击层和保护层的轴，这使得损坏的风险减至最小。
根据本发明一附加方面，至少所述推进器壳体的一些部分由轻量材料制成，优选地包括碳纤维，其中优选地推进器壳体的所述部分涂有保护表面，优选地是聚亚氨酯。根据本发明的这种方案提供了额外减轻重量的条件。由于推进器由弯曲刚性非常大的轴承安装，在实践中免于游隙，这意味着相对壳体推进器叶片可获得相当好的定位，这样在原则上消除了叶片端部与推进器壳体接触的危险。因此，根据本发明的方案意味着能够以较大的安全性实现推进器壳体的重量减轻，即可以采用“较弱”和/或较薄的推进器壳体的材料。
根据另外一些潜在方面：
所述轴承装置由与圆锥滚柱轴承结合的球面止推轴承构成；
推进器壳体内的轴用润滑油或润滑脂润滑，并由设置于前轴承前部的轴向弹性密封件与外界密封；
所述推进器壳体的至少一部分由轻量材料制成，优选地包含碳纤维；
所述推进器壳体的入口直径处于0.5-2m之间，功率密度至少是0.5+(2-D)kW/kg；
直径D处于0.5-1.3m之间，所述功率密度是0.7+(2-D)kW/kg；
所述轻量轴由金属，优选地是钛和/或中空钢轴制成；
没有用于从轴向推进器传递功率的弹性联轴器；
所述推进器壳体的入口直径D大于2m，并且额定最大设计功率至少是15MW。
得益于本发明，与传统系统相比，能够创建用于喷水式推进器驱动的船只的相当轻的驱动系统，同时提供更高的操作可靠性。
附图说明
本发明将参照附图更详细地描述，该附图是根据优选实施例的推进器和推进器壳体的垂直、轴向横截面图。
具体实施方式
图1以垂直截面示出根据本发明的推进器装置。定子外壳1通过螺栓2或类似物牢固安装于船壳的后部。圆锥形前部的推进器壳体3通过螺栓4或类似物安装于定子部分1上。推进器壳体3的所述前部对准向前延伸的管状进水口，其本身是公知的(未示出)。轴颈11在转动和弯曲方面借助于第一联轴器11B经由推进器的底部13牢固地连接到轴12上。
向后，邻近推进器底部13布置有一圆锥形壳体5，其借助非转动导向叶片1A固定地紧固于定子外壳1内，且其尖端向后指向。在所述壳体5内有一轴承座6，该座通过螺钉7大致安装在壳体的中央，并且该轴承座用来将用于轴颈的轴承装置9，16支撑在驱动轴12上。为了使水从壳体5的内部排出，在推进器底部13的中心(此处的压较低)附近布置有一组排水孔13A。
转动的推进器底部13经一第二不可转动且弯曲刚性的联轴器12A，适宜地通过螺纹连接，固定地安装到轴颈11周围。因此，所述推进器底部13与轴12一起转动，并且推进器叶片14设置在所述推进器底部13上，所述推进器叶片14产生向后指向的，如箭头所示的水射流。所述向后指向的水射流经推进器13，14在轴颈11内产生一向前指向的反冲力，该力经止推滚柱轴承9传递到轴承座6，壳体5，并通过固定地连接到船壳上的推进器壳体传递到定子部分1，因此，得到一向前指向的推进力。
轴12是轻量轴，其适宜由复合材料制成，且在其端部具有一金属(如钢)固定装置12E。这种轴的芯部12B适宜由碳纤维制成，但是，由于轴部分处于水流中，而水流中可能包含一些硬的物体，对于这样的轴，碳纤维不总是适合的表面材料。在轴的周围布置玻璃纤维的保护套12C已经解决这个问题。为了使轴具有良好的抗腐蚀/磨蚀的特性，优选地还设置聚亚氨酯的外表面层12D。这种得复合材料轴不仅轻，而且也不具有常规轴那样的刚性，首先它的抗弯刚度相当小，这对轴承系统提出了重载的需求。因此，球面止推轴承9设置在轴颈11的后端。由于锁环17以这种方式夹紧轴承9和16，可以获得一刚性轴承，其可以承受在由推进器叶片14产生轴向推进力通过后轴承9时由非刚性轴和射流产生的弯曲力。轴承适宜地夹紧，以便在轴承上的载荷最小，这通常意味着获得最大0.05mm的轴向游隙，经常为0～0.02mm，由此实现一刚性轴承。对于某些特定用途，轴承被适宜地偏压，以便轴向游隙总是0mm。在附图中，图示了一球面止推轴承9，但是也能采用其它种类的轴承，如滑动轴承。
一般轴承9和16的周围的空间充有油，其通常通过导管(未示出)，导向叶片1A和轴承座6供给。因此，所述空间必须相对轴颈和轴承座周围的水密封。
借助本发明，有可能首先通过用复合轴替换传统推进器轴而相当大地减小重量，由于轴承装置9、16结合轴端部的固定的连接件，而可以实现上述替换。
由于本发明的轴承和轴的布置，有可能的其它减少重量的步骤在于在推进器壳体内的入口3也由复合材料制成，其涂有聚亚氨酯3A，以获得抗冲击和耐磨蚀表面。由于本发明的实施例，获得一结构性原理，这提供了理想的高的功率密度。得益于这种轴承装置和功率传递的原理，对于入口直径小于1.3m的喷水式推进器，能容易地得到1kW/kg的功率密度，这意味着在许多的方面，即操作经济性和灵活性的基本的优点。对于本领域技术人员很明显同种设计的功率密度随喷水式推进器的增大而减少。因此，对于大的喷水式推进器实现高的功率密度更难。已发现新设计确实提供了功率至少是0.5+(2-D)kW/kg的条件，在D处于0.5-1.3m之间的情况下，功率甚至更好，如0.7+(2-D)kW/kg。如果结合本发明的所有方面，对于入口直径D是1m的喷水式推进器可以获得大约2kW/kg的功率密度。同样，对于入口直径D大于2m的喷水式推进器，本发明的设计提高了功率密度，但是由于处于这一范围的喷水式推进器的机会稀少，因此，不存在在这个范围内可比较的功率密度的数字，在这，额定最大设计功率一般远大于10MW。
本发明不限于上述实施例，而是可以以不同的方式在权利要求的范围内进行改变。例如，可以意识到其它的具有分别与碳纤维和玻璃纤维相一致特性的材料可用于复合材料轴，并且根据特定要求可以采用许多不同的这样材料的组合。另外，可意识到可以使用聚亚氨酯以外的其它抗腐蚀保护层涂料，这能大致满足同一要求。应理解为可以采用油润滑之外的其他轴承装置。因此，对于某些应用，为了承受轴向力，使用水润滑的轴承是有利的，其中对密封件的要求在某种程度上被消除/减少到一定程度。应该理解为驱动轴的特征可以以许多不同的方式适合于给定的条件，首先考虑在推进器前部的不同轴轴承的安装位置和进水口，这除了影响轴的固有频率外，还影响传递到轴承装置的力，其中轴的轴承优选地尽可能远地在推进器壳体的轴承装置前面，这是由于径向的确定偏差，从而产生较小的角度偏差。
最后，本领域技术人员可以认识到接头不需要可拆下。可以构想到轴12和轴颈11可以为一体。另外，推进器可以在轴和/或轴颈上收缩，并且其它的类似的变型落在本领域技术人员的普通知识的范围内。而且，显而易见的是根据本发明的轴承装置有时也可以与的功率密度水喷射装置结合使用。
Claims (17)
1.一种船用推进系统，包括推进器(13、14)，定子外壳(1)和用于构成喷水式推进器的推进器壳体(3)，用于驱动推进器(13)的轴(11、12)和在定子外壳(1)内的用于该轴(11、12)的轴承装置，其特征在于，轴(11、12)由轻量轴构成，其具有比均质传统钢轴低得多的抗弯刚度，并且在推进器(13)和轴(12)端部之间的驱动力由非弹性联轴器(11B，12A)并经由所述轴承装置传递到定子外壳(1)，所述轴承装置在弯曲方面是刚性的，并且承受轴向载荷，从而获得高功率密度。
2.如权利要求1的推进系统，其特征在于，所述轻量轴包括复合材料。
3.如权利要求2的推进系统，其特征在于，复合轴(12)包括第一纤维材料管状框架，其由一层第二纤维材料围绕。
4.如权利要求3所述的推进系统，其特征在于，所述第一纤维材料是碳纤维，所述第二纤维材料是玻璃纤维。
5.如权利要求3所述的推进系统，其特征在于，所述复合轴由抗腐蚀材料的最外腐蚀保护层围绕。
6.如权利要求5所述的推进系统，其特征在于，所述抗腐蚀材料是聚亚氨酯。
7.如权利要求1的推进系统，其特征在于，所述轴承装置由与圆锥滚柱轴承(16)相组合的球面止推轴承(9)组成。
8.如权利要求7的推进系统，其特征在于，在推进器壳体(3)内的轴承(9、14)通过润滑油或润滑脂润滑，并通过设置于轴承(17)前部的轴向弹性密封件(15)与外界密封。
9.如权利要求1的推进系统，其特征在于，所述推进器壳体(3)的入口直径D处于0.5～2m之间，功率密度至少是0.5+(2-D)kW/kg。
10.如权利要求9的推进系统，其特征在于，直径D处于0.5～1.3m之间，所述功率密度是0.7+(2-D)kW/kg。
11.如权利要求1的推进系统，其特征在于，至少一部分所述推进器壳体(3)由轻量材料制成。
12.如权利要求11所述的推进系统，其特征在于，所述轻量材料包括碳纤维。
13.如权利要求11的推进系统，其特征在于，推进器壳体(3)的所述部分涂覆有保护表面。
14.如权利要求13所述的推进系统，其特征在于，所述保护表面是聚亚氨酯。
15.如权利要求1的推进系统，其特征在于，所述轻量轴由金属制造。
16.如权利要求15所述的推进系统，其特征在于，所述用于制造轻量轴的金属是钛和/或中空钢轴。
17.如权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述推进系统还包括在推进器壳体(3)内的轴(11、12)的密封件(15)。
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