CN1284921A - 船舶推进器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶推进器,其具有一个转子(46),至少该转子(46)的主要部分被围在结构(54)中,其中所述的转子,接收水至少越过其大部分下部,并且接收气体至少越过其一部分上部。可以通过一个阀门(48)消除气体流,该阀门也导向转子叶片(52),并且最好具有一个曲线型的水接触面,这样水将粘附在并流过该表面。可以用一个转子环(47)增加转子的强度,可将该转子环插入接近壳体的一个凹槽(53)内,以减小转子环的阻力。本发明还提出了一种用于船舶推进器的驾驶和反向系统。该系统包括一个方向舵(45),与反向导向叶片(44)机械连接,这样当倒退时方向舵的运动共同产生泄放流的运动。选择性地提供一个水偏转挡板(51),当高速运行时,用于偏转水流,使水流不冲击反向导向叶片或喷嘴。

Description

船舶推进器

其它申请的相互参考

本申请是对申请人早期申请的部分继续申请，早期申请包括：1990年2月28日提交的现已放弃的序列号为486，305的申请，1990年10月26日提交的现已放弃的序列号为604，741的申请，1992年3月9日提交的现已放弃的序列号为848，252的申请，1992年7月30日提交的现已放弃的序列号为922，574的申请，1993年9月8日提交的现已放弃的序列号为118，029的申请，1994年9月21日提交的序列号为309，758的申请，现已于1996年4月9日授权的美国专利5，505，639号。

发明背景

封闭的转子式喷水推进器逐年来越来越被广为接受，如用于个人游艇的小型50-150马力设备，和用于巡逻艇、高速游客船以及一些摩托快艇的中型1，000-7，000马力设备。尽管小尺寸的效率非常差，但是与外露的推进器相比，从安全角度来看，个人游艇需要使用封闭式的推进器。中型尺寸的设备主要用于舰船，如高速游船，它们航行的大部分时间是高速行驶，此时喷水式的推进器效率相对较高。人们注意到在低速和中速行驶时，这些喷水式推进器效率较低，并且具有设定的速度和功率的操作极限，用于减少旋转真空对转子的损坏。但是，由于与外露的推进器、轴和舵推进器系统相比，它们具有吃水深度浅、低水下噪音以及维修量小的优点，并且引擎负载更加恒定且平稳，客舱噪音和震动减小，对于高速游船它们正成为推进器的优先选择。

把喷水推进器用于任何气垫船，如表面效应船(SES)或申请人的SEACOASTER气垫船设计，有许多困难。这是因为气垫船下面的空气层被吸入喷水推进器的入口，使喷水推进器的性能严重下降。这种低效的原因是标准的喷水推进器是一个高压水系统，其施加压力的喷口位于转子或叶轮下方。只要少量的空气被带入或混入水中，在一些试验中记录的门限值为百分之五或更少，就可以使叶轮的效率受到严重损失。当平体船行驶在汹涌的海面时，喷水推进器的空气吸入问题，也会很明显，此时喷水式推进器的入口可能会被切削。

Pratt&Whitney Aircraft在1967-1969年对3，200马力喷水式推进器进行的测试，证实了空气吸入问题存在且很严重，但并没有简易的解决方案。在Avondale Industries，New Orleans，对本申请人的两项喷水式推进气垫游船设计，即350名乘客38节109英尺气垫船，的试验表明，当空气被吸入2，000马力的双体KaMeWa喷水式推进器时，其性能严重降低。对其中一艘船上的入口进行改进后，将其降至流线型气翼型的船体下方约20英寸。这样减小了但未消除空气吸入问题，而且付出了速度明显下降的代价。总而言之，现有的标准商用喷水式推进器，由于低速到中速的旋转真空，以及在条件恶劣的海面高速运行时的入口空气吸入产生的转子过速问题，使其性能严重受限制。而且，它们在低速到中速的性能，普遍认为不佳。申请人把低速定为0到7节，中速定为7到20节，高速定为20节以上；但在本申请中，高速定义为任一种船舶的速度为15节或15节以上。

申请人的新式船舶推进器，被称为水气双驱动式(Hydro-Air Drive)或HAD，有一转子，在它的优化运行状态下，由转子的下半部接受水流而工作。在其优选方案中，该转子具有一泄流开口，但在其转子的下方没有流限制压力产生喷口。它避免了旋转真空，并且不受影响标准喷水式推进器的空气或气体吸入问题的影响。也可以消除到申请人的转子，在低速到中速的气流，从而使优选方案中的物流加倍。在低速到中速时，与具有相对小的控制流泄流喷口的标准喷水式推进器可能产生的推力相比，这会产生了更大的推力。关于水气双驱动(Hydro-Air Drive)的更详细论述，请参见申请人的美国专利5，505，639。

直径22英寸的水气双驱动(Hydro-Air Drive)已经制造出来，并在一艘40英尺长V型壳的船上进行海中试验。它由一台400马力的Caterpillar柴油发动机驱动。在Ft.Lauderdale，Florida进行的最初测试，显示出它在中速时的推力值，优于商用高速喷水式推进器。在速度为30节以上时，它表现的性能也优于商用喷水式推进器。即使在条件恶劣的海中高速行驶时，也没有螺旋旋转真空损伤的现象，没有由于入口通风产生的明显的运行困难。对入口和转子设计的进一步改进正在进行，因此在撰写本文时，还没有最终的性能结果。

第一次测试时，采用流导向结构基本上阻止了转子前进。这产生了水花喷溅层，这是由于入口的边缘接近水面，影响到轴中心线上的转子。然后安装了板状的水流导向结构，其终止于转子的水平中心线附近，并在转子之前约为转子直径的四分之一处。成果显著，结果速度增加了约7节。基于这些结果，申请人注意到，在入口流体导向结构的末端和转子叶片之间有一确定的距离。虽然还需进行进一步的测试，但申请人确定这个距离最好不超过一个半转子直径，不小于半个转子直径。

申请人还注意到转子上部的气流产生好的作用，并且周围的空气和/或发动机排气或其它气体提供装置提供的气体可用作上述气流。但是，也可以使入口水流导向结构终止于上方，并且非常接近转子，因而没有气流提供到转子的上部。在这种情况下，转子叶片的前上部基本上工作在部分真空中。

在申请人的美国专利5，505，639中，提出了使用入口阀门装置来引导液体/气体流向转子；但是，本发明对此概念进行了改进。指出增加一个直的部分作为已有的通常圆弧形阀门机构的尾部，提高了液体流入转子的精确性。还需指出这样一个流导向结构可以仅用于引导入口水流，不需要提供气流到转子的上部。在此情况下，当船舶高速行驶时，转子叶片的上部将工作在局部真空中。

在此提出了，一个新的简单的用于船舶推进器的驾驶和反向机构，如喷水式推进器和只需要最小驱动力的本发明。该系统使用位于转子泄流下面的一个反向导向叶片装置或喷口，其连到一方向舵并与方向舵的转速相同。直到一个阻流泄放装置或反向斗降低到导向和反向喷口尾部，才产生反向作用。这与德国专利2217171本质不同，该德国专利提出独立并分离于一组360度可旋转导向窗的一个方向舵。在该德国专利中，通过转动该方向舵使其与泄放流成90度，来达到阻流的目的，这样阻挡泄放流使其不向后，并重引导泄放流到可旋转导向窗。方向舵和360度可旋转导向窗都是独立驱动的，这与本发明的本质上简单的由一个公共驱动器驱动的单一部件不同。因为本发明的方向舵，根据工作要求，不需要旋转到与流成90度，因此不需要所参考的德国专利那样高的驱动力。由于上述的明显不同，本发明的驾驶和反向机构与德国专利2217171基本不同。而且，本发明提供了一个可选用的水流偏转机构，一般为一类似挡板形状的装置，可以安装在反向导向叶片装置的下边。在向前行驶时，这个水流偏转机构使水流不冲击导向叶片，在反向操作时，它简单地被反向泄放水流推到旁边。

发明概述

基于上文所述，本发明的优选方案的主要目的，是提供一个简单的新型船舶推进器，其具有一个基本上结构封闭的转子，并且当推进船舶高速前进时，所述转子工作时，至少它的下部的大部分在水中，至少它的一部分上部接收气体和/或在局部真空中运行。

本发明的进一步目的，是提供用于导向液体流到所述转子叶片下部的装置。

本发明的一个相关目的，是提供气流到所述转子叶片上部。

本发明的另一个目的，是在低速和/或中速运行时，能够关闭冲向转子叶片的气流，因此增加运行过程中水的流量。

本发明的一个直接相关目的，是提供至少部分为曲线型的一个阀门，用于控制到转子叶片的水流量。

本发明的另一个目的，是提供给转子的水流由结构导向，该结构可以是固定的或活动的，并且这样的结构，可以精确地把水流导向所述转子，以至于不需要气流到达将工作在局部真空中的转子叶片的上部。

本发明的进一步目的，是一个定子叶片或多个叶片可以位于转子叶片的下方，由此校直来自转子叶片的泄放流。

本发明的另一个目的，是定子叶片可以用于方向舵的前面并与其成直线，由此减少所述方向舵的水的动态阻力。

本发明的另一个目的，是提供用于船舶推进系统的一个驾驶和反向机构，其中方向舵和反向导向叶片或喷口被共同驱动。

本发明的直接相关目的，是所述方向舵和反向导向叶片具有一公共旋转轴。

本发明的另一个目的，是所述方向舵在其尾端可以被截短，由此改善被截短的末端处的通气，以减小舵的阻力。

本发明的另一个目的，是提供一反向门，该反向门用于阻挡来自出口尾部的液体流，由此再把所述液体流导向到所述反向导向叶片。

本发明的另一个目的，是在反向时能够关闭冲向转子叶片的气流。

本发明的另一个目的，是提供一个活动的、与船舶推进器相关的水流偏转装置，用于防止前进时水流冲击反向导向叶片。

本发明的另一个直接相关的目的，是所述水流偏转装置能够被反向水流产生的力旋转或移到反向水流通路之外。

附图简要说明

图1展示了图3中通过线1-1的中心线剖开的剖视图，其中展示了推进船舶高速前进的改进的船舶推进器。其中水流提供到转子的下部，气流提供到转子的上部。在本发明的优选方案中，提供到转子叶片的水流量可以控制，并且通过液体流动导向装置，把供给转子的气流基本上切断。

图2是图3中通过线2-2的相似的中心线剖视图，展示了反向工作的改进的船舶推进器。其中液体流动导向装置被关闭以禁止气体流向转子，并且一个反向流阻挡机构被旋转向下以阻止向出口尾部的流动，然后再将流向导向到一组反向导向叶片。

图3是图1中通过线3-3的俯视中心线剖视图，其中展示了推进船舶高速前进的改进的船舶推进器。

图4是图3中通过线4-4的局部剖视图，展示了一个液体流导向阀门，该阀门以控制的流量引导液体流向转子的叶片。液体流导向阀门的旋转，允许增加或减小流到转子叶片的液体流量。其中通到转子叶片上部的气体流，也通过液体流导向阀门。

图5是图3中通过线5-5的局部剖视图，其中液体流导向阀门关闭，因此基本上阻止了来自转子叶片的气流。在反向时使用这种状态，并且，大部分情况下，船低速运行时希望转子内流体充分，以获得最大的推力。

图6是液体流导向阀门的立体图。其中曲线型阀门组件部分被制成两部分，并通过轴相连。这样做的原因是它们跨在驱动轴的两端。

图7是通过图2中的线7-7的局部剖俯视图，其中展示了反向阻流装置下降以阻挡向后流，由此把流体导向反向流导向叶片或喷口。在这种情况下，反向导向叶片定位用于反向到转向右舷状态。其中方向舵被定位，并且与反向导向叶片装置一起旋转，如图中所示。

图8是方向舵和反向导向叶片装置的立体图，展示为具有共同驱动轴的共同体组件。

图9是图1和4中通过剖线9-9的剖视图，其中展示了转子前面的优选的矩形外壳形状。在此位置，矩形外壳形状为优选方案，因为它允许对液体流导向阀门的做更加开放设计。详细描述

图1展示了图3中通过线1-1的中心线剖视图，其中展示了安装在一船舶30中的本发明的改进的船舶推进器31。在此例中，船舶推进器31靠在横梁42上。驱动发动机32为驱动轴33提供旋转动力，由驱动轴传到转子46、转子叶片52以及可选用的转子叶片罩或环47。其中转子叶片环47连接在转子46外围附近并且隐藏于外壳凹槽53中，以减小水中阻力。外壳54或与相同的动力源的相机械连接的结构至少围绕转子46外围结构的360度的主要部分。由于本发明的优选方案中，转子46有大约一半在水流中，一半在水流外，当转子叶片52每次旋转进入水中时，在转子叶片52上会有强烈的冲击应力。可选用的转子环47，极大地增加了转子46和转子叶片52的固有的结构完整性。所示的一般使用的与转子46驱动系统相关的其它组件，包括推力轴承35，轴封33和水润滑的橡胶轴承34。

在图1中，水流通过可选用的入口格栅条43流入，并被入口流动导向装置48导向到转子46的大约中部或向上的部分，所述格栅条一般为气翼(airfoil)外形以使阻力最小。其中入口流动导向装置可以是一个阀门和/或一个固定结构。气体如周围的空气、发动机排气或类似气体，被提供到转子叶片52的上部，如本发明的优选方案图中气体流箭头38所示。也可以使用一个可选用的定子叶片50，用于校正转子泄放流。

对于全速前进状态，所示的驾驶和反向系统的部件，包括一方向舵45、反向导向叶片或喷口44，和反向门49。在此例中，反向门是撑起的或打开的，以允许满负荷的液体流和气体流来获得最大向前推力。在根据本发明的这个优选方案中，舵45和反向导向叶片是一个一体的组件，由一个公共驱动装置驱动，并具有一个公共的旋转轴55。图中还示出了水流偏转装置或偏转挡板51以及水线39。

图2是图3中通过线2-2的相同的中心线剖视图，与图1所示类似但为反向状态。在此例中，液体流控制或导向阀48关闭，以允许液体流到转子叶片52的上部，因为，在优选方案中，液体流过曲线形状的液体流导向阀48。转子叶片52的液体泄放流，由反向门49再导向到反向导向叶片44，结果产生反向推进状态。在此例中，其中可选用的水偏转片51被水泄放流所产生的力旋转向前。

图3是图1中通过线3-3的剖视图，展示了当工作在在全速向前状态时，改进的船舶推进器31的俯视图或平面图。在此例中，方向舵45具有斩断或截短的尾部，以便通气来减小阻力。

图4是图3中通过线4-4的局部剖视图，其中展示了该优选方案中液体流导向阀48的细节。其中该阀前部为曲线型，后部较平。这样在气流(如气流箭头38所示)和液体流(如液体流箭头37所示)之间有助于形成水线39到转子叶片52。

图5是图3中通过线5-5的局部剖视图，与图4相似，但是其中液体流导向阀关闭，以限制通向转子叶片52的气体流。这是反向时的状态，也是船舶运行在低速和中速时的优选工作状态。在这些速度下，关闭或部分关闭这个液体流导向阀48的原因是，导向转子叶片52的液体流基本上被加倍，因此在低速时产生最大推力。有很重要的一点值得注意，即液体流导向阀48可以工作在不限数量的多个位置，因此可以控制导向转子叶片52的流量。另外，值得注意的还有，尽管不在本发明的优选方案中，但是流导向阀48可以如图所示工作，但没有导向转子叶片52的气流。在这种状态下，液体流导向阀48的末端非常接近转子叶片，入口水流仍然被导向到转子叶片52的下部，并且在它们的上部仍然存在局部真空。这不是本发明最佳的或最有效的工作方式，但是为可能的工作方式。

图6是液体流导向阀48及其可选择的控制杆56的立体投影图。阀门被制成两部分的原因是它们跨在驱动轴的两端。

图7是通过图2中的线7-7的局部剖视图，其中展示了转向反向时，反向门49向下阻挡反向流的操作。注意在图中定子叶片50的弯曲的流导向形状。

图8是方向舵和反向机构的立体投影图。注意在此不同的具有共同驱动轴55的全部一体组件。

图9是图1和4中通过剖线9-9的剖视图，其中展示了在液体流导向阀48的通路中，优选的矩形流通路和壳体54形状。这个部分矩形的形状，与在此使用圆形形状相比，允许更大的气流通路和最大的水流导向结构宽度。图中所示的结构为全速前进时。

尽管以上结合优选方案以及几个可选用的方案，对本发明进行了说明，但应理解为并不是要对本发明进行限制。相反，本发明应函括所有按所附权利要求所限定的本发明的范围和精神之内的所有可替代方案、改进以及等效方案，该权利要求是本发明的唯一限定。

Claims (26)

1、一种用于推进具有改进的船舶推进器的船舶的改进的船舶推进器，包括一个具有转动叶片的转子，当所述转子旋转并推进所述船舶时，一液体流流向所述转子叶片，并且当所述转子旋转时，所述转子叶片能够加速流体，因此提供一个推进的推力，所述改进包括：

包围所述转子叶片外围下部的结构，该结构至少包围所述转子旋转的180度的大部分；和液体流动导向装置，至少其大部分，终止于所述转子叶片的上方少于一个半转子直径的距离内，其中所述液体流，至少大部分被导向到转子的下部，这样转子叶片主要是在所述转子旋转180度的至少大部分接受流体。

2、如权利要求1中所述的改进的船舶推进器，其中所述的液体流动导向装置，至少其大部分，终止于所述转子叶片的上方少于一个转子直径距离内。

3、如权利要求1中所述的改进的船舶推进器，其中所述的液体流动导向装置，至少其大部分，终止于所述转子叶片的上方少于半个转子直径距离内。

4、如权利要求1中所述的改进的船舶推进器，进一步包括一气体流，当所述改进的船舶推进器高速推进船舶时，所述气体流被导向到至少到所述转子旋转的180度的一部分。

5、如权利要求1中所述的改进的船舶推进器，其中所述液体流动导向装置是可调节的，这样可以把不同流量的液体流导向所述转子叶片。

6、如权利要求4中所述的改进的船舶推进器，其中所述液体流动导向装置可以调整到一位置，此时所述装置基本上关闭所有流向所述转子叶片的气流。

7、如权利要求5中所述的改进的船舶推进器，其中所述液体流动导向装置至少在其运行的一部分时间内，至少一部分与液体流接触的所述液体流动导向装置为曲线型。

8、如权利要求1中所述的改进的船舶推进器，进一步包括一驾驶和反向机构，所述驾驶和反向机构具有一方向舵，所述舵一般由一反向流动导向装置驱动，并且所述机构还包括一反向阻流装置，至少其大部分安置于所述方向舵的尾部。

9、如权利要求8中所述的改进的船舶推进器，其中进一步包括一导流片，至少部分安装在反向流动导向装置的下方，并且当反向时，所述导流片的运动，至少部分是由反向流提供的力产生的。

10、如权利要求1中所述的改进的船舶推进器，其中进一步包括一转子环，所述转子环，至少在转子旋转的部分时间内，是插在一个壳体的凹槽内的。

11、如权利要求1中所述的改进的船舶推进器，其中在所述船舶推进器的垂直截面中看，位于所述液体流动导向装置和叶片的上方附近的一个外壳的内部，至少部分形状为矩形。

12、一种用于推进具有改进的船舶推进器的船舶的改进的船舶推进器中，包括具有转子叶片的一个转子，当所述转子旋转且推进所述船舶时，一液体流流向所述转子叶片，并且当所述转子旋转时，所述转子叶片能够加速流体，因此提供一个推进的推力，所述改进包括：

包围所述转子叶片外围下部的结构，该结构至少包围所述转子旋转的180度的大部分；和液体流动导向装置，至少其大部分，安装在所述转子叶片的上方，并且一气体流向所述转子叶片的上部，其中所述液体流动导向装置能够改变流向所述转子叶片的液体流量，并且其中所述液体流动导向装置能够基本上阻挡流向所述转子叶片的上部的所有气体流。

13、如权利要求12中所述的改进的船舶推进器，其中所述液体流动导向装置，至少其大部分，终止于所述转子叶片的上方少于一个转子直径的距离内。

14、如权利要求12中所述的改进的船舶推进器，其中所述液体流动导向装置，至少其大部分，终止于所述转子叶片的上方少于半个转子直径的距离内。

15、如权利要求12中所述的改进的船舶推进器，其中至少与液体接触的液体流导向结构的一部分是曲线型。

16、如权利要求12中所述的改进的船舶推进器，其中进一步包括一驾驶和反向机构，其中所述驾驶和反向机构具有一般由一反向流动导向装置驱动的一方向舵，并且所述推进器还包括一反向阻流装置，至少其大部分在所述方向舵的尾部。

17、如权利要求16中所述的改进的船舶推进器，其中进一步包括一导流片，至少部分在反向流动导向装置的下边，并且当反向时，所述导流片的运动，至少部分是由反向流提供的力产生的。

18、如权利要求12中所述的改进的船舶推进器，其中进一步包括一转子环，所述转子环，至少在转子旋转的部分时间内，是插在一个壳体的凹槽内的。

19、如权利要求12中所述的改进的船舶推进器，其中在所述船舶推进器的垂直剖面中看，位于所述液体流动导向装置和叶片的上方附近的一个外壳的内部，至少部分形状为矩形。

20、一种用于推进具有改进的船舶推进器的船舶的改进的船舶推进器，包括一个具有转动叶片的转子，当所述转子旋转且所述的船舶推进器推进所述船舶时，一液体流流向所述转子叶片，并且当所述转子旋转时，所述转子叶片能够加速流体，因此提供一个推进的推力，所述改进包括：一驾驶和反向机构，所述驾驶和反向机构具有一方向舵，所述方向舵一般由一反向流动导向装置驱动，并与所述反向流动导向装置基本上具有一个公共旋转轴，所述驾驶和反向机构还包括一反向阻流装置，至少其大部分在所述方向舵的尾部。

21、如权利要求20中所述的改进的船舶推进器，其中所述反向流动导向装置至少部分为圆形。

22、如权利要求21中所述的改进的船舶推进器，其中所述反向流动导向装置包括一流导向叶片。

23、如权利要求21中所述的改进的船舶推进器，其中所述反向流动导向装置包括一喷口。

24、如权利要求20中所述的改进的船舶推进器，其中所述的舵在尾部被截短。

25、如权利要求20中所述的改进的船舶推进器，进一步包括一定子叶片，至少所述叶片的大部分位于方向舵的前端部分的前面，并与其在一条线上。

26、如权利要求20中所述的改进的船舶推进器，其中进一步包括一导流片，至少部分在所述反向流动导向装置的下边，并且当反向时，所述导流片的运动，至少部分是由反向流提供的力产生的。

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