CN1157600A - 喷水推进装置 - Google Patents

Abstract

在浅水区也能航行的船舶喷水推进装置，它有一个泵轮(3)，泵轮沿垂直方向吸入水并制有叶片，叶片使水沿垂直与水平之间的一个方向流出泵轮。离开泵轮流动通道的水到达无叶片式环形扩压器(5)，它将由泵轮泵出的水相对于抽吸方向回转160°至200°(最好180°)后导入压力腔(23)。回转后的水流动能量很低，并最终通过喷管(8)离开压力腔，喷管(8)的出口方向是固定的或可变的。

Description

喷水推进装置

本发明涉及一种所谓筒式泵，也就是具有下列特征的喷水推进装置。叶片式混流泵轮或工作轮具有垂直旋转轴线和可旋转地装在井状泵壳中。工作轮的传动装置从上面穿过盖板进入泵壳。泵壳下面用底板封闭，底板有一个设在中央的用于工作轮轴向入流的进水口，以及至少有一个小角度倾斜的出水口，在工作轮输送通道的出口端与至少一个出水口之间设有一个导向器。导向器通常是与工作轮轴线同心地设在泵壳与导向器壳之间的一个叶片式环形通道，在导向器内，流动从离开工作轮时的半轴向方向转为所期望的排出方向。环形通道的横断面变化原则上可以是常数，或沿流动方向减小，或沿流动方向增大，具体要根据采取这一个或那一个措施所期望得到的结果来定。

若由泵输送的在其流动过程中借助于导向器优化的水，通过至少一个作为出水口重要部分的排水喷管离开泵，则在水上交通工具中装入泵时，此出水口通过其压力推进此水上交通工具。作为射流排出的水的流动方向，可以确定此水上交通工具的推进方向。

由德国专利申请P3735699.2-22已知这样一种筒式泵作为水上交通工具的推进装置，并在这一方面作为本发明的出发点。

为了能通过此至少一股离开泵的喷水改变水上交通工具的航行或推进方向，整个泵能围绕工作轮的纵轴线和旋转轴线回转360°。若泵绕工作轮旋转轴线回转，便改变了喷管的排出方向，从喷管排出的喷水改变了它的排出方向或水流方向，以及使此水上交通工具也改变了它的航行方向。

这种方案的缺点在于，当应该改变船舶的航行方向时，必须整个泵回转并因而必须有一个相当大的质量进行运动。若在调整过程中应要求高精度时，这就需要提供巨大的能量以及对回转机构提出高的要求，而对于准确的船舶驾驶这种高精度是必要的。

因此上述筒式泵在形式上作了进一步发展，将具有圆柱形外壳部分的真正的泵壳和作为支承件的盖包括在水上交通工具的结构内，而只还有带进水口和出水口的底板可绕泵的旋转轴线回转360°(EP0464739A1)。转换成这一方案的前提条件实际上要解决在作为支承件组合在此水上交通工具中的泵壳与可回转的底板之间密封的问题。若这一问题能够解决，则与一开始提到的筒式泵的实施形式相比，这一方案是有优点的，即，为了操纵此水上交通工具，必须进行运动的质量要小得多，也就是说仅仅是底板，而在第一种情况下必须回转整个外壳包括底板。

上述方案不仅由于包括导向器在内的总体设想对于本发明是有重要意义的先有技术，而且由于导向器与排出装置之间的压力腔(drucktopf)。在此同心地围绕着工作轮和导向器的压力腔内，由工作轮输送并离开了导向器的水获得了一个比较高的以及特别是在整个压力腔内实际上为相同的压力，这就有可能将带有至少一个排出喷管的排出装置设在压力腔的任意一个位置上。也就是说，排出喷管完全不需要设在底板上，它也可以位于圆柱形的外壳部分中。

现在，本发明按照目的应对此先有技术作如下的改进：推进装置或筒式泵本身有尽可能小的重量，以及，为操纵此水上交通工具所要回转的质量同样也进一步减小。也就是说，本发明的目的可明确如下：当采用筒形泵不仅应起推进此水上交通工具的作用，而且应操纵此水上交通工具的航行方向时，所研究类型的筒式泵本身应具有尽可能小的自重，以及，必须运动的质量应尽可能小。

按本发明采用在泵出口与压力腔之间的一种无叶片式导向器，有助于减小喷水推进装置的自重。为了在泵轮与压力腔之间能具有所期望的流动状态，导向器必须有比较长的流路，为此，导向器使沿半轴向方向花托状离开泵轮的输送量回转到这样的程度，即，在泵的吸入方向与在导向器端部的流出方向之间，此输送量回转了一个在160°与200°之间的角度。由此在导向器内部确定了流路的长度，在导向器的内壁和外壁有合乎目的的几何形状的情况下，这就提供了可能性，在相当大的程度上降低在离开泵轮时水中还含有的流动能量，使被输送的水正好还能流动，但除此之外含有高的压力能，所以，在压力腔内以一个在导向器出口处的高的出口压力起，可以提高到所期望的高压。

在无叶片式导向器中，原则上流动通道的横断面沿流动方向可以保持不变、增加或减少，这要看应提供什么样的工作状态。然而，当涉及的是在压力腔内应以最佳方式建立所期望的高压时，使导向器沿流动方向具有扩张的通道横断面，亦即成为一个扩压器是有利的，在这种情况下，起始横断面由工作轮末端处的条件确定，而末端横断面由这一条件决定，即，这一流动条件正好促使被输送的水还能进入压力腔中，除此以外应是高的压力能；以及，在这种情况下，在两端部横断面之间的横断面尺寸应设计为，将流动能量转变为压力能应始终能在流动没有从流动通道壁分离的情况下进行，因为这种分离会导致形成涡流，并因而造成能量损失。专家们熟知如何能满足这些条件，可以通过实验或借助于专家们熟知的计算方法来实现。

在所述的最后一种情况下，亦即从水沿轴向进入工作轮一直到被输送的水进入压力腔有最佳的压力升高，恰当的做法是，在工作轮下游设置沿流动方向具有扩张的流动通道的无叶片式导向器，在工作轮内甚至就已经进行了相当大程度的从流动能量向压力能的转换。这样一种设计认为适用于导向器的设计准则：在工作轮每一对叶片与两个盖片之间的流动通道横断面，在开始处应比末端处的小，这些流动通道沿流动方向应按在工作轮中面临一般工作条件时和为避免从流动通道壁流动分离的情况下以合乎目的的或恰当的方式继续。

有关改变从压力腔喷出的水流的排出方向，着眼于简化结构和尽可能减轻重量，为此，按本发明的特征建议，在总体上为固定的推进装置中，也就是说，既不应是整个外壳又不应是底板单独地能绕工作轮的旋转轴线回转，能相对于外壳回转的应仅仅是至少一个的喷管。因此，此水上交通工具的操纵可通过最小可能的可运动质量进行。

具有上述主要特征的本发明是专利权利要求的内容，并在下面借助于附图对本发明加以说明。由下面的说明和专利权利要求还可以看出其他特征，采用这些特征可以按特别有利的方式进一步设计本发明。

在附图中表示：

图1通过推进装置中央的纵剖面；

图1A在相应的视图中表示通过一种略有修改的实施形式的中央纵剖面，其中，剖切平面与图1的剖切平面相交90°角；

图1B压力腔一个排出喷管的局部剖视；

图2、3安装举例，作为示意侧视图(图2)或示意俯视图(图3)，其中的出发点是，术语“喷水推进装置”包括使用一台筒式泵作为水上交通工具，亦即船舶的中央推进装置；

图4其整体可回转地安装的喷管示意侧视图；

图5在与图4相应的视图中表示具有控制挡板的固定安装的喷管；

图6在与图1相应的视图中表示一种按本发明的喷管，这种喷管可使推进射流回转至180°；以及

图7按图6的设计的俯视图。

按本发明的喷水推进装置的主要构件组包括，筒式泵壳1；在其叶片2与两个盖片3a、3b之间构成沿半轴向延伸的叶片通道或流动通道的泵工作轮3；工作轮的传动装置4；导向器5；以及一块下盖板6，在其中央设有水流进口7。进口7中可设进口格栅11，以防吸入异物，它们会损坏工作轮3，由于此水上交通工具在浅水域中使用，所以推进装置在很大程度上有这种危险(图1)。但必要时也可以取消进口格栅。“混流式叶片”指的是，工作轮3基本上沿轴向入流(箭头100)含流动能量的水沿相对于工作轮旋转轴线为一个小于90°的角度α离开工作轮3和进入导向器5(箭头200)。传动装置4可以是传统的，所以可免去对它的说明。在图1中传动装置示意地表示为剖面图，在图1A中有关传动装置只表示了插入工作轮3的传动轴4a。传动装置装在泵壳1的上盖21上，并伸入泵壳内，以便在那里与工作轮3传扭连接。传动装置可以例如与DE-A4021340中设计的传动装置相同。在进口7中可设有网格比较粗大的进口格栅11，之所以可以用粗网格的进口格栅，是因为导向器是没有叶片的，所以与有叶片式导向器的传动装置相比，这种传动装置对于水中带来的异物并不那么敏感(尤其可见图1A)。

导向器是无叶片式环形扩压器，它有一个相对于工作轮轴线22的排出角β，这一β角是水流基本上沿轴向的吸入方向100与从导向器5排出的方向300之间回转的角度，并促使水流在压力腔23内回转约160°至200°之间，最好180°。环形通道或导向器5外面直接由机壳外壁12和里面直接由工作轮外壳13构成。它是旋转对称的和没有内装物。它保证长距离地向压力腔23导引。导向器的横断面变化可以是常数、逐步减小、或当所涉及的是要将在工作轮3末端存在的水流能量基本上转换成压力能的导向器时，最好逐步增大，于是在这种情况下此环形通道成为一个环形扩压器。

在泵内造成的水流经泵壳1或压力腔23从至少一个设在外壳后壁中的喷管8排出。喷管8设置成使喷水基本上水平地、至多略向下方地排出，因此，此水上交通工具也可以在非常浅的水区内用自己的推进装置航进。除了水平地排出射流外，这种可能性的先决条件是整个推进装置至多略微从水上交通工具的底部伸出。除此之外可以保证此推进装置不妨碍倒车地装在水上交通工具或船舶内(图2、3)。

若不需要通过推进装置获得操舵作用，则喷管8固定安装在泵的外壳内，它是喷水推进装置的一种推力改进方案的一部分，作为一种推力最佳化的喷管。此喷水推进装置作为“助推器”，只是促使船舶沿着一个由其它方式确定的航行方向推进。

若通过本发明的推进装置，应在保持基本航向“前进”的情况下影响航行方向，则用10表示形式上经修改的喷管，可以为其配设在固定的喷管10内部的可回转或摆动的挡板16，或者此喷管可整体回转地装在泵壳1内(图4)。喷管10(图4)或挡板16(图5)可通过机械的、液压的、电气的或组合式的角度调整装置进行调整，在图4和5中一般地用20表示这种角度调整装置，没有说明其细节，因为所涉及的正是各种任意的在这方面众所周知合乎目的伺服驱动机构。

若还要作为最极端的操舵控制装置，要求推进射流换向180°(反推)，则可借助于一种可运动的成形挡板17来达到(图6、7)，它同样可通过简单的液压或机械式滑阀操纵。为了换向，这种挡板17直接回转到沿喷管射流的排出喷管10a或10b的后面，它通过它的造型将喷水掉头到沿反方向。在图6中用虚线表示此射流转向挡板处于其不起作用的位置，用实线表示它处于使喷水转向的位置。

转向挡板17装在框架18内，框架18通过侧面的销子19可回转地支承在泵壳1上，此可回转性仍由伺服机构20来保证。

因此，按本发明设计的喷水推进装置意味着是一种推力得到改进的方案。

现在由图2和3可以看出，在船舶的推进和操舵设计中是如何通过采用按本发明的推进装置来实现的。

在第一种推进和操舵方案中，在中央推进装置B中的泵壳1配设一个向后方的刚性喷管8，喷管的纵轴线在俯视图中与船舶纵轴线重合。因此，此中央推进装置B是一个不可操纵的“助推器”，它仅仅用来推进船舶，尽管喷管的纵轴线与船舶的纵轴线不重合，但至少应设置为平行于船舶的纵轴线。两个相对于船舶纵轴线对称设置的可操纵的侧面推进装置SA1和SA2基本上与中央推进装置B相同，不过它们的排出喷管10a、10b设计为能调整它们的排出方向，以便能对船舶进行操舵。这一点可以这样达到，即，喷管10a或10b它们作为整体可回转地装在各自的泵壳1中(图4)。另一种可供选择的方案是，排出喷管(10a、10b)刚性地装在泵壳1内，在此固定的喷管内部至少为此喷管配设一块可回转或可摆动的转向挡板16(图5)。若作为最极端的操舵控制装置还要求推进射流转向180°时(反推)，则通过可运动的成形挡板17来达到这一点(图6、7)。

但中央助推器B也可以例如和侧面的推进装置SA1和SA2一致，以便获得更好的操纵效果，也就是说，全部三个推进装置按图4、5、6或7设计。为满足其他的运行要求，助推器也可以按图4或图5设计，侧面的推进装置SA1、SA2可以按图6、7设计，所以全部三个推进装置在喷水的排出方向方面都是在基本正车航行的前提下作改变；当船舶不转身时航行方向应由正车航行改为倒车时，则侧面的推进装置SA1、SA2可以采取行动，在这种情况下，在正车航行时全部三个推进装置起作用，而在倒车时则不同，只有两个侧面的推进装置SA1和SA2在控制挡板17使喷水转向的情况下是有效的。最后，中央助推器B也可以按图4和6或7之一设计，而侧面的推进装置SA1和SA2可设计为环形可操纵的。

按本发明的推进装置，与它们在按图3的上面已阐明的设计方案范围内的使用无关，可以结构简单、比较轻和低廉地制成。固定安装不可转动的推进装置外壳，相对于环形可操纵的喷水推进装置有成本低的优点。用一个简单的外壳壁代替用于可转动外壳的筒式结构就足够了。取消用于环形可操纵性的昂贵的操纵机构，用简单的液压式或机械式滑阀或类似机构(20)代替。船底外板设计为比较简单的封闭式容器底，它只还包括中央抽水口。

按本发明的推进装置由于简单的水流导向和倒车喷管比较高的效率，提高了有效的推力。

按本发明的推进装置尤其设计用于与具有高机动性的操舵装置相结合，在这种情况下本推进装置在限制机动性的同时由于良好的推力值主要作为经济的推进机构，而附加的操舵装置则相反，它主要用作操纵机构(图3在上面已阐明的方案)。

工作轮3流动通道的端边用工作轮叶片2的出口边24表示。因此同时表示了导向器5的进口，导向器的末端用25表示，由此又同时表示了由工作轮3输送并在导向器5中导向的水进入压力腔23中的入口。最后，中央喷管8(图3)或可回转的喷管10a、10b之一连接在压力腔23上。可以看出，经各自的喷管离开压力腔23的水的排出方向(用箭头26表示)几乎沿水平，或仅仅略向下倾斜。

为了确定从由进口7抽入工作轮3中的水进口区，到被输送的水从导向器5排出并进入压力腔23后横断面的变化，应归纳起来再一次地加以说明：在工作轮中的流动通道的设计，应使被抽入的水在工作轮中得到加速和压力升高，所以水从工作轮出口时含有高的能量，其中包括大部分压力能和小部分功能，这部分动能在从导向器排出的出口处同样已在相当大的程度上转变为压力能，其中，在从进入工作轮流动通道的进口(边缘24a)至从导向器排出的出口(扩压器末端25)的流动过程中，应注意避免形成涡流，尤其是流动从流动壁面的分离。

最后，应当注意在图1中所画的两个面27，它们并不是在压力腔23中装入的构件，而涉及的是按常规的制图方法通过其中一个在图1B中所示的排出喷管的上壁的剖面27-27，水经此上壁离开压力腔23，此时还可涉及在剖切平面27-27内一个喷管的流动通道的剖视图，以便表明排出喷管构成了水的矩形横断面形状。在图1B中完全示意性地表示的喷管，再次表示了也在图13中表示过的那种喷管。原则上它既可涉及用作助推器的刚性的中央喷管，也可涉及侧面的一个操舵喷管。

Claims (12)

1.船舶的喷水推进装置，船舶有平的底并也可规定在浅水区内航行，此喷水推进装置有一个叶片式混流工作轮(3)，工作轮(3)有一根垂直的旋转轴线(22)并装在一个井状泵壳(1)内，泵壳(1)在圆柱形外壳部分的上端有一块上盖板(21)，工作轮的传动装置(4)从上面穿过上盖板进入泵壳，泵壳(1)在圆柱形外壳部分的下端有一块下底板(6)，下底板在船底平面中或船底平面后，在下底板(6)中央有一个进水口(7)，用于工作轮(3)的轴向入流(100)；有一个在泵壳(1)内部与工作轮(3)的旋转轴线(22)同心的压力腔(23)，由工作轮(3)输送来的水进入压力腔(23)，然后，水相对于在叶片式混流工作轮中沿轴向的流入方向转向约160-200°，并在船底平面内或船底平面后水平地、至多相对于此船底平面有一个小角度向下倾斜地从压力腔(23)流出；有一个形式上为无叶片式环形通道的导向器(5)，位于被输送的水从工作轮的出口与其进入压力腔的进口之间，此环形通道使被输送的水按上述角度范围转向，并与此同时在避免从壁面分离的情况下将两种能量形式之一的水的能量，基本上转变为另一种能量形式；以及，最后还有一个排出装置(8、10)，用于将水水平地或以上述小角度地从压力腔(25)排入周围的水中，水的排出方向仅仅为产生船的推力确定，或为了产生船的推力和为了船的操舵，可在水平平面内通过相对于固定安装在船内的泵壳调整而加以改变。

2.按照权利要求1所述之喷水推进装置，其特征为：导向器(5)将作为两种能量形式之一的水流动能量，从离开工作轮起基本上转变为作为另一种能量形式的压力能，也就是导向器(5)设计为扩压器。

3.按照权利要求2所述之喷水推进装置，其特征为：在形式上为无叶片式环形通道或无叶片式环形扩压器的导向器(5)的流动横断面，从水的进口向水的出口方向不断扩大。

4.按照权利要求2或3所述之喷水推进装置，其特征为：导向器(5)紧跟着工作轮(3)，在工作轮内被输送水的能量，已经以相当大的程度作为压力能存在。

5.按照权利要求4所述之喷水推进装置，其特征为：工作轮在每一对叶片与两个盖片(12、13)之间的流动通道横断面，从进口(7)向出口(24)方向扩大，以及，在进口和出口之间的横断面应这样改变，即，基本上避免了被输送的水从流动通道的壁面(叶片和盖片)处分离。

6.按照权利要求1至5之一所述之喷水推进装置，其特征为：排出装置至少有一操舵喷管(10)，它可在水平的平面内回转地支承在泵壳(1)的圆柱段上。

7.按照权利要求1至5之一所述之喷水推进装置，其特征为：排出装置(8、10)至少有一个喷管(8)，它固定安装在推进装置的外壳(1)内，此喷管的排出方向确定为船舶的主推进方向。

8.按照权利要求6所述之喷水推进装置，其特征为：至少一个操舵喷管固定安装在泵壳内，并为此操舵喷管至少配设一块控制挡板，控制挡板可以转动或摆动。

9.按照权利要求1至7之一所述之喷水推进装置，其特征在于排出装置的喷管，它们形成具有矩形横剖面的出口喷射。

10.使用至少一个按照权利要求7所述之喷水推进装置和至少一个按照权利要求8所述之喷水推进装置的船舶推进装置，其特征在于其配置，即，至少在船舶的垂直的中央纵向平面内设置一个带刚性喷管的喷水推进装置，它所具有的喷管出口方向用来确定船舶的主推进方向，而在两侧对称设置可调喷管出口方向的喷水推进装置，用来改变船舶的推进方向。

11.按照权利要求8所述之喷水推进装置，其特征为：至少一个操舵喷管在工作时可用控制挡板严密地封闭。

12.按照权利要求7所述之喷水推进装置，其特征为：在推进装置底部前进方向一侧装有一块在正常工作时关闭的可回转的板，通过它可在工作中打开外壳。

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