CN102745319B - 水斗式船舶推进器 - Google Patents

Abstract

水斗式船舶推进器由转轮1、导管2、机壳3等三大部分组成，导管2与转轮1切向(或斜向)连接，转轮1由轮辐4及由若干呈双碗状(或勺状)的水斗5组成。其特征在于：水斗内部设有进水边和出水边，水流经过导管整形导流后，切向(或斜向)冲入水斗内的进水边，水流延轴向流动后，再由水斗内的出水边转向射出，从而为船舶提供有效推力(拉力)。具有以下优点：一是不受气蚀条件限制，适合高速船舶；二是工作范围内效率受负荷变化的影响较小，节约能源；三是可工作在水面以上，主机和推进器易于布置，适合浅水航行，具有良好的环保效果。

Description

水斗式船舶推进器

技术领域

一种船舶推进器，其特征在于：导管与转轮切向（或斜向）连接，水流经过导管整形导流后，切向（或斜向）冲入水斗，水斗作功后为船舶提供有效推力（拉力）。

背景技术

船舶推进器主要分为明轮、螺旋桨、喷水推进器三大类。明轮，是最早应用于轮船的推进装置，结构简单，造价低廉，曾被大量使用，但因其无水流导向装置和出口能量回收装置，导致明轮击水消耗能量大，而效率低下，同时明轮还因其转速低，机构笨重，占用空间大，所以明轮已为螺旋桨所取代。螺旋桨，因其结构简单、造价低廉、使用方便，中低航速和中低转速时效率高，成为应用最广的船舶推进器，但是螺旋桨不仅存在偏离设计工况时效率低下的缺点，还存在高航速、高转速时抗空泡性差，容易出现空泡现象导致效率下降且严重破坏螺旋桨和船体结构的缺点，所以在高速船舶、浅水船舶和低噪声环境等特定领域，螺旋桨正被其它性能更为优秀的推进器所取代。喷水推进器（包括水力锥形推进器），是一种应用较早的船舶推进器，它是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进，现代喷水推进器具有抗空泡性强、附体阻力小、操纵性好、运行噪声低、变工况范围广、吃水浅的优点，但是因其效率低下、结构复杂、造价较高，主要应用于高速船舶和浅水船舶。

目前，随着高性能船舶的大量应用，船舶推进器仍需进一步改进以适应不断变化的工作环境。螺旋桨的主要改进方向是使用可调距大倾斜多叶螺旋桨，以提高其抗空泡性和效率，并降低工作噪声，不过由于螺旋桨经过200年来的演进，其性能已经接近极限，改进余地已经很小。喷水推进器首先是应用高效率的单级轴流式水泵，其次是进一步优化进水口设计，其效率已有较明显提高，例如：根据喷水推进器衍生出的水力锥形推进器也取得较高的效率，水力锥形推进器就是通过翼轮直接作用于水，无需喷管，从而取得较高效率。尽管如此，喷水推进器仍然存在效率低下、结构复杂、造价较高的缺点。所以，为进一步提高船舶推进器的效率和适应多种的工作环境，我们需要设计出新型船舶推进器。

发明内容

水力机械大都可逆运行，所以我们在借鉴冲击式水轮机的工作原理和设计方法后，为突破气蚀条件限制并进一步提高船舶推进器的效率，设计出不受气蚀限制的水斗式船舶推进器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：导管与转轮切向（或斜向）连接，水流经过导管整形导流后，通过分水刃切向（或斜向）冲入水斗进水边，水斗冲击水流后（这个过程是水流冲击过程），水流在经过轴向流动后，再由水斗出水边射出（这个过程是水流反冲过程），进而提供推力。整个作功过程因为引入了水流导向装置（导管），水斗出口有动能回收装置（双曲面出水边），水流的撞击损失小，动能能够得到充分利用，所以整机效率较高。

水斗式船舶推进器较之明轮推进器配置有：水流导向装置——导管，能量回收装置——水斗，从而确保水流能够在符合流体流动特点的前提下，可同时获取水流的冲击能量和反冲能量。水斗式船舶推进器较之螺旋桨推进器是工作在水面以上（即使是压气运行时，转轮也只是部分浸没于水面以下），整个作功过程是在接近大气压环境下进行。

所以水斗式船舶推进器具有以下优点：一是水斗不存在空化和空蚀，不受气蚀条件限制，主机不易过载，适合高速船舶，特别是高速舰艇；二是工作范围内效率变化比较平缓，效率受负荷变化的影响较小，特别是在低负荷和满负荷运行时其效率比螺旋桨和喷水推进器要高，节约能源；三是过流量小、可工作在水面以上，主机和推进器易于布置，推进器的密封简单且抗腐蚀性能好，利于维护保养；四是适合浅水航行，具有良好的环保效果；五是低航速时推力大，操纵性和定位性能好，适合用于拖船、挖泥船、扫雷艇等类型舰船。

附图说明

下面，结合附图1、附图2、附图3、附图4和实例1、实例2、实例3,进一步说明水斗式船舶推进器的结构和原理。

附图1是水斗式船舶推进器的结构和原理图。

附图2是转轮斗叶及水力作功示意图。

附图3斜击式水斗式船舶推进器示意图。

附图4多转轮水斗式船舶推进器示意图。

具体实施方式

实例1：

如附图1、附图2所示，实例1由转轮1、导管2、机壳3等三大部分组成，导管2与转轮1切向连接，转轮1由轮辐4及由若干呈双碗状的水斗5组成。根据需要还可装置有辅助水泵6、倒车喷管7、压缩空气管8。两水斗间的工作面的结合处称为水斗的进水边9。承受绕流射流作用的凹面称为水斗的工作面10。水斗工作面与侧面间的端面称为水斗的出水边11。转轮1、导管2、机壳3均连接在船体13。

工作过程：当船舶的主机驱动转轮1旋转，从导管2引出的水流沿转轮1的切线方向冲向水斗5，当水流接触水斗5后即按斗叶形状流过斗叶工作面10，并迫使水流的相对速度和相对方向发生改变，从而产生作用在水斗5上的力，形成对船舶的驱动力矩，从而推动船舶前进。通过改变转轮1的转速，或移动导管中的喷针12来调节水流流量，可控制推进器的推力和船舶速度。

辅助水泵6的作用是：1、当船舶启动时，为转轮提供启动水流，船舶正常航行时，水流能通过冲压作用进入导管2，此时辅助水泵6可以选择关闭；2、当船舶需要倒车或刹车时，为倒车喷管13提供水流。

倒车喷管7的作用是：当船舶需倒车或刹车时，由辅助水泵6供给水流反向喷入水斗5，从而提供倒车或刹车动力。

压缩空气管8的作用是转换水斗推进器工作方式，使其工作于压气运行方式：当船舶处于特殊工作环境下，推进器可能大部分（或全部）浸没入水线以下时，因此有必要通过压气管提供一定量的压缩空气，从而迫使机壳内水线下移到水斗以下，保证转轮正常运转，进而提高推进器的效率和适应不同的工作环境。

根据水斗5与轮辐4的连接形式，可采取整铸结构、铸焊结构和机械组合结构等结构。转轮材料可根据不同的工作环境使用：塑胶、球墨铸铁、碳素铸钢、锰青铜、低合金铸钢或不锈钢等类型材料。

实例1主要应用于高速船舶和浅水船舶。

实例2：

如附图3所示，实例2的主要特征是导管1与勺状水斗2斜向连接，当船舶的主机驱动勺状水斗2旋转，从导管1引出的水流沿倾斜方向冲向勺状水斗2,当水流接触勺状水斗2后即按斗叶形状流过斗叶工作面，并迫使水流的相对速度和相对方向发生改变，从而产生作用在水斗2上的力，形成对船舶的驱动力矩，从而推动船舶前进。导管1内有喷针3用来调节流量。

实例2过流量较大，在相同转速下，推力较大，主要应用于中高速船舶。

实例3：

如附图4所示，实例3的主要特征是采用多转轮推进方式。在船体4上装置主机1，主机1与转轮2、转轮3相连接，当主机1驱动转轮2和转轮3旋转,船舶就可以获得比单一转轮大一倍的推力。

实例3可以匹配大功率主机，推力较大，主要应用于大吨位船舶。

Claims (1)

1.一种船舶推进器，由转轮（1）、导管（2）、机壳（3）三大部分组成，转轮（1）、导管（2）、机壳（3）均连接在船体（13）上，其特征在于：导管与转轮切向连接，导管设置在转轮远离船体的一端，船舶的主机驱动转轮旋转，转轮上分布有水斗，水斗呈双碗状，设有进水边和出水边，两水斗间的工作面的结合处称为水斗的进水边，承受绕流射流作用的凹面称为水斗的工作面，水斗工作面与侧面间的端面称为水斗的出水边，当水流经过导管整形，切向冲入旋转的水斗进水边，水流接触水斗后即按斗叶形状流过斗叶工作面，水流在水斗内延轴向流动后，再由水斗出水边转向射出，产生作用在水斗上的力，从而形成对船舶的驱动力来推动船舶前进，当水斗处在水线以上时需要通过导管导入水流，当水斗大部分浸没入水线以下时通过压缩空气管提供一定量的压缩空气保证转轮正常运转。