CN1960909A - 包括一用于安装在船舶的水下部分下面的舱艇的船舶推进组件 - Google Patents

Abstract

用于船舶的推进组件(1；1′；1″)，该组件包括：至少一与一支撑柱架(3；3′；3″)机械连接的舱艇(2)；一位于舱艇后部并包括至少两个叶片(14)的螺旋桨(4)；一至少三个固定在舱艇(2)上的流动导向导向翼(50－55；3′A)装置。该装置形成一与舱艇(2)的纵向轴线(X)基本垂直的冠形体(5)，所述冠形体(5)包括在一位于所述支撑柱架(3；3′；3″)与螺旋桨之间的区域(Zx)中。该组件另外包括一至少部分包围螺旋桨(4)和所述导向翼冠形体(5)的喷管(6)。叶片(14)的每一个有一带有与喷管(6)的内壁齐平的边缘(7)的端部，以便使螺旋桨(4)构成一螺旋泵的转子。

Description

包括一用于安装在船舶的水下部分下面的舱艇的船舶推进组件

技术领域

[01]本发明涉及一种用于船舶的推进组件，该组件包括：

[02]-一与一用于安装在船舶的水下部分(caréne)下面的支撑柱架机械连接的舱艇(nacelle)；

[03]-一位于舱艇后部的螺旋桨，该螺旋桨包括至少两个叶片，并且与一传动轴转动连接，传动轴与一马达连接；

[04]-至少三个固定在舱艇上的流动导向翼(ailerons orienteurs)的装置，所述装置形成一与舱艇的纵向轴线基本垂直的冠形体。

[05]更特别的是，本发明涉及一种紧凑的POD(propulsionoriented drive)类型的推进组件，其中设有支撑柱架，以便转动安装在船舶的舱艇下面。舱艇的分别叫做前、后的部分相对船舶的船艏和船艉来定义，即舱艇的前部至少在推进组件保证船舶向前行进时指向船舶的船艏。在大多数POD类型的推进组件中，例如专利文件WO9914113中描述的推进组件，螺旋桨位于舱艇的前部，而与符合本发明的推进组件相反。

背景技术

[06]普通POD类型的船用推进组件不用于在船舶的尾流(sillage)中工作，而是相反，有一足够高的支撑柱架，使螺旋桨位于尾流限层以外。因此至少由于船壳与螺旋桨之间需要大的空间，这些普通POD型推进组件一般体积庞大。另外，这种推进组件一般是震动和气穴(cavitation)现象的原因，当推进组件处于回转时特别存在气穴现象。气穴是一种在螺旋桨的叶片端部释放爆裂的水蒸气泡的现象。在航行流体力学中，气穴破坏推进系统的性能，导致震动，使旋转部分产生腐蚀，并发出损害船舶的声纳分辨能力的噪音。

[07]已经知道现有技术的一些成果，特别是从专利文件EP1270404中了解到一种如上面定义的推进组件，在这种推进组件中，一紧凑的POD型辅助推进器的螺旋桨位于舱艇的后部。该螺旋桨另外用于在另一叫做主螺旋桨的螺旋桨的尾流中工作，主螺旋桨安装在一位于船舶的水下部分下的固定轴上。主螺旋桨的设置是为了提供推进功率的最大部分，例如通过一安装在船舶中的柴油发动机，而POD推进器的辅助螺旋桨的设置是为了或者提供附加的推进功率，或者如果该推进器转动以便控制船舶，则提供方向功率。根据舱艇周围导向翼装置的实施例，这种布置或者位于舱艇的前部，或者更靠后，但只到支撑柱架的中心部分处。实际上，这些导向翼的作用是通过回收主螺旋桨产生的涡流的旋转能量的轴向分量提高推进效率，因此它们应比较靠近主螺旋桨。可以对导向翼设置一相对舱艇轴线的小的倾斜，以便增加能量的回收。

[08]尽管这种POD型推进器特别紧凑，包括主螺旋桨的推进组件整体仍然很庞大，因此和普通的POD推进组件一样需要比较大的水下部分以下的吃水深度。

发明内容

[09]本发明的目的是可以使一至少具有一带有安装在一舱艇上的螺旋桨的推进器的船舶比普通的方法减少水下部分以下的吃水深度。为此，本发明的目的是得到一种能够靠近水下体的推进组件，特别是一种紧凑的POD组件。为了提高推进组件的垂直紧凑性，本发明的目的是减小舱艇的支撑柱架的高度，使螺旋桨尽可能靠近水下部分，同时避免气穴现象。最后本发明的目的还在于提高推进组件的效率，并至少降低该组件动力部分的成本。

[10]为了能够实现这些目标，本发明提出一种在一螺旋泵的原理上运行的紧凑的推进组件，即依靠水在管道中的强制移动保证船舶的推进。螺旋泵技术是受到飞机喷气发动机的启发，特别是进气流的控制，使用一在水的回流中起作用的系统，以避免气穴现象。螺旋泵在液态流量下工作，而普通螺旋桨在液体推力下工作。需要指出的是，螺旋泵的推进原理长时间以来用于潜水艇的推进系统，并且螺旋泵定位于潜水艇的尾流中可以得到很好的效率，同时又减少声纳干扰。另外，已经知道，特别是在专利文件US 4 600 394中，螺旋泵技术用于舟艇(embarcation)的舷外和舷内发动机。

[11]当然，为了形成一螺旋泵，用一管形水下部分包围一普通螺旋桨是不够的。从现有技术了解到，例如从专利文件US 6 062 925了解到，可以通过在螺旋桨周围安装一管形水下部分增加一安装在舱艇上的螺旋桨在低速下的推进力。但是，这种安装并不能形成一螺旋泵，因为对这种技术，螺旋泵中的叶片形状是特殊的，与普通螺旋桨使用的形状明显不同。

[12]最后，从专利文件DE 101 58320了解到一种用于船舶的POD型推进组件，该组件使用一种螺旋泵，它的螺旋转子设置在泵的电马达的定子周围。因此马达完全被泵的喷管包围，喷管连接在POD组件的支撑柱架上。用这种结构，螺旋转子的直径必然随着马达尺寸的增加而增加，因此随着马达功率的增加而增加。对一大功率的电马达(例如约10MW)，由此产生的螺旋转子的尺寸导致喷管的直径比较大，以便为泵中的水流量设置足够的截面。

[13]这种结构导致推进组件的流体力学阻力 比较高，因此推动效率非常平庸，这构成一主要缺点。另一方面，电马达的冷却，特别是大功率马达的冷却肯定比马达安装在远离螺旋桨的舱艇中的普通POD组件的情况下更难以实现。实际上，在普通POD组件中，已经知道是通过支撑柱架内部从船舶带到舱艇中的强制空气流来冷却马达的。

[14]因此，尽管这种带有螺旋泵的POD组件可以实现本发明的一些目标，特别是消除气穴现象，但是不能得到一直径比较紧凑并且推进效率至少等于相同功率的普通POD组件的推进组件，特别是大功率的推进组件。本发明的目的还在于克服这种带有螺旋泵的POD组件结构的缺点。

[15]为此，本发明的目标是一种前面定义的推进组件，其特征在于，该组件包括一至少部分包围螺旋桨和所述导向翼冠形体的喷管(tuyère)，并且每个叶片有一端部，端部的边缘与喷管的内壁齐平，使螺旋桨构成一螺旋泵的转子，并且导向翼冠形体包括在一位于所述支撑柱架中心部分与螺旋桨之间的区域中。

[16]导向翼与喷管形成的装置构成螺旋泵的定子。螺旋泵一般比相同功率的普通螺旋桨的转速快50-100％，这样可以使螺旋桨驱动马达的力矩减小50-100％，因此允许马达的直径(对电马达)比普通POD组件减小20-40％。在一符合本发明的推进组件中，减小马达直径可以使舱艇的直径和组件的重量减小，以便实现将马达装在舱艇中。舱艇直径减小可以减小推进组件的流体力学阻力，因此提高推进效率。

[17]另一方面，马达和舱艇体积的主要部分位于螺旋泵水流的上游。这使螺旋桨有一比较紧凑的轮毂，因此泵的螺旋桨可以得到一足够的截面，而不需要通过大大增加喷管的直径影响水动力流动。一般，对一位于舱艇中的功率大于10MW的电马达，可以用一内径，即基本为螺旋桨的直径，约为舱艇直径二倍的喷管形成符合本发明的推进组件。这样可以有足够的螺旋桨截面，以保证泵中良好的水流量，同时使与专利DE 10158320的装置相似的推进组件具有较小的流体力学阻力。

[18]最后，螺旋泵在船舶的尾流中工作而没有气穴现象的可能性可以减小支撑柱架的高度，这也有助于使组件更紧凑。实际上，螺旋泵可以靠近船舶的水下部分，因为它不会把震动产生的压力脉冲传递给船舷。这首先是因为水流经过螺旋泵定子的组织，这样可以使到达转子处的水的速度在使转子和定子分开的室中均匀。因此螺旋泵产生的压力的暂留脉冲比较弱。另一方面，这些暂留脉冲在泵的喷管处衰减，因此它们在船舶水下部分上的影响不足以在船舷上产生震动。

[19]因此，水下部分以下的吃水深度可以设置得比普通POD组件小，这样可以在船舶后部的形状设计中有更大的灵活性。另一方面，将螺旋泵置于船舶尾流限层内提供了比在该限层以外的装置提高推进效率的优点。实际上，在该限层内，水在泵的入口处的速度比泵设置在该限层外减小，这样就增加了喷管出口与泵入口之间的速度差，因此增加了泵的定子产生的推力。需要知道的是，限层的厚度随着船舶的速度和尺寸的增加而增加。在船舶的巡航速度中，尾流是最重要的，因此推进效率比低速增加。

[20]在一符合本发明的紧凑推进组件中，导向翼构成对螺旋泵的流动定向器。导向翼的冠形体设置包括在一纵向位于支撑柱架的中心部分后面的区域中，以便足够靠近螺旋桨。本文中，将一支撑柱架的中心部分定义为包括一与船舶的水下部分内部连通的空腔的部分。

[21]一符合本发明的推进组件特别用于一种舱艇的支撑柱架转动安装在船舶的水下部分下面的船舶，使推进组件为POD类型。在一装有几个符合本发明的推进组件的船舶中，可以有至少一POD型组件转动360度，并且位于船舶后面的尾流中，以便保证控制船舶，并且必要时保证制动推力，而不需使该组件的转子的转动方向反向。

附图说明

[22]下面参照以下附图进行的描述表明了本发明以及它的特征和优点。

[23]图1示意性地表示一符合本发明的POD型推进组件沿一包含舱艇纵向轴线的平面的剖面图。

[24]图2示意性地表示图1推进组件的透视图。

[25]图3示意性地表示另一符合本发明的推进组件的俯视图，其中支撑柱架的后端构成一流动导向器。

[26]图4示意性地表示另一符合本发明的POD型推进组件立面图，该组件包括两个并排的相同推进器。

具体实施方式

[27]图1中，符合本发明的推进组件1是一沿舱艇2的纵向轴线X和组件1的转轴Y形成的平面的纵向剖面的侧视图。该组件1安装在一船舶的水下部分10的下面，舱艇2以传统的方式安装在一支撑柱架3上，支撑柱架转动安装在一穿过船壳的密封轴承9上。在该图涉及的实施例中，确定舱艇2的尺寸，以便装入一电马达8，马达8的转子(未出示)与螺旋桨4的驱动轴11转动连接。通过轴承12使驱动轴11保持沿X轴方向。舱艇以及支撑柱架3以已知的方式形成剖面形状，以便优化通过箭头F表示的水流的流体力学流动。

[28]正如从现有技术中了解到的，也可以考虑另一实施例，其中马达位于船壳内，因此设有一带有换向角度(renvoi d′angle)的机械传动系统，以便把马达的转动传递给螺旋桨的驱动轴。另外，在一符合本发明的推进组件中，支撑舱艇的腿部不一定转动安装在船舶的水下部分上。在一带有一固定支撑柱架的实施例的情况下，可以考虑至少有另一固定连接腿使喷管直接与水下部分连接，因此加固了推进组件与水下体的机械连接。这另一条腿的尺寸可以很小，因为喷管最好非常靠近水下部分。则船舶的方向可以通过与推进组件分开的专门导向装置来保证，或者根据专利EP 1 270 404中表示的原理，该专利使用了一紧凑的POD型可定向辅助推进组件。

[29]在图1所示的实施例中，密封轴承9的设置用于使支撑柱架3可以转动，以便保证控制船舶的功能。支撑柱架3设置为可以相对图中所示的正常推进位置转动180度，以便以一与船舶前进相反的推力到达一“制动”方式的推进位置。但是，在一不转动或很少转动的支撑柱架的情况下，也可通过使螺旋桨4的转动方向反向的向后行进的很大推力得到这种“制动”位置。

[30]为了形成螺旋泵，推进组件包括一流动导向导向翼设置，如52和53，它们固定在舱艇2上，这种设置形成一与舱艇的X轴基本垂直并且包括在一纵向位于支撑柱架3与螺旋桨4之间的区域Zx中的冠5。一般说来，正如下面参照图3解释的，在一符合本发明的推进组件中，该区域Zx位于支撑柱架的中心部分与螺旋桨之间。冠形体5最好最少由五个导向翼形成，并且螺旋桨4包括至少三个叶片14。这些流动导向导向翼足够靠近螺旋桨，以便在适当的方向引导到达螺旋桨的水流线。它们不一定相同。

[31]另一方面，一喷管6包围螺旋桨4和导向翼冠形体5。正如下面参照图2描述的，喷管6的入口剖面以及每个导向翼的形状最好适应船舶在它的巡航速度下的尾流图(la carte de sillage)。需要指出的是，喷管通过它自己的升力参与总推力。螺旋桨包括一与轴11转动连接的轮毂13，叶片14安装在轮毂13上。每个叶片14具有一带有一与喷管的内壁齐平的边缘7的端部。因此，冠形体5和喷管6构成螺旋泵的定子，螺旋桨4构成泵的转子。

[32]另外，喷管的截面逐渐向后减小，并且根据为船舶设置的巡航速度具有收敛或发散的形状，以便提高推进效率。另一方面，导向翼以传统的方式具有倾斜的剖面，以便减少它们的流体力学阻力。因此，正如图1中可以看到的，喷管的前部不一定延长在冠形体5定位的整个纵向区域Zx上。该区域的前界用一条与导向翼前端的沿X轴相同的横坐标上的虚线表示。另外，完全可以考虑使用更成型的导向翼，因此明显增加导向翼冠形体5所在的区域Zx的纵向深度。

[33]至少三个流动导向导向翼并最好是冠形体5的所有导向翼都用于保证喷管6很好地固定在舱艇2上。喷管的对称轴与舱艇的纵向轴线X基本重合，这样可以在螺旋桨的叶片14的端部边缘7与喷管的内壁之间有一很小的间隙。在图1涉及的实施例中，所有叶片14都相同，并且一叶片的与喷管对齐的端部边缘7被两个锐角限定，以便使相对叶片轮廓的总长度与喷管对齐的曲线长度最大。实际上，已经知道，叶片端部边缘的这种角度形状对螺旋泵技术是有利的。螺旋桨4形成的泵的转子包括至少两个叶片14。计算模拟表示，具有一在专利US 4 600 394中提出的实施原理上的由单个缠绕叶片形成的转子是没有意义的。

[34]另外，确定螺旋泵的喷管6与船舶的水下部分10之间的距离DY，使螺旋桨4以最佳方式在船舶的尾流中工作。实际上，最好将推进组件设在船舶的尾流中，同时最好避免出现使水流相对船舶的速度降低太大的粘性尾流。最好将推进组件设在流动速度平均降低15％的尾流部分中。除了可以降低支撑柱架3高度的优点外，螺旋泵的这种定位还可以以最佳方式比定位在尾流限层外提高推进效率。

[35]在图2中，为了更清楚地看到流动导向导向翼冠形体5和螺旋桨4的结构，符合本发明的推进组件1为透视图。为了引导进入螺旋泵的水流，这里冠形体5包括六个导向翼50至55，以便给该水流一基本等于转子转矩但是向相反方向转动的转矩，因此水流在转子的出口没有转动能量，这样做的优点是提高螺旋泵的效率。该图中，导向翼55被舱艇2的后部掩盖。

[36]每个导向翼有一至少近似为平面的表面，该表面具有一相对舱艇的轴线X的确定方向。一导向翼的方向角α_n定义为导向翼平面与X轴形成的角度。每个导向翼，如52或54以自身方向角，如α₂或α₄，固定在舱艇的后部。优选地，每个角度α_n最好由船舶巡航速度下的尾流图确定，因此能够根据进入的水流采用每个角度α_n，以便引导水到达转子，并且避免气穴现象。考虑了支撑柱架3对进入喷管的水的流线的影响，特别是对于位于支撑柱架3后面的导向翼52的方向角α₂。喷管入口的剖面最好也由巡航速度下的船舶尾流图确定。

[37]另外，由于比普通螺旋桨转得快，符合本发明的推进组件的转子形成小的转矩，因此定子中的流动偏移应该保持适度，以便与这个转矩一致。随之而来的是导向翼的方向角比较小，因此水可以向相反的方向通过。每个方向角α_n可以确定在例如3度到15度之间，这样可以得到一与螺旋桨4的转动方向相反的向后行进的足够的推力，则螺旋桨产生的的水流没有完全受导向翼的干扰。另外，每个叶片具有直线母线的一转子可以接受转子反向转动时的最大公称转矩，而与例如专利文件US 6 371 726中“skew”类型的普通螺旋桨相反，这是由于机械应力在叶片表面分布得很好，其作用是提高制动推力。当然，一带有直母线的物体由一沿一条切割轮廓平面的直线的二维轮廓的过渡形成。

[38]图2中可以看到螺旋桨4的叶片14有轻微的弯曲，因此叶片14有轻微弯曲的母线，但是当然叶片的母线最好是严格的直线，以便进一步提高制动推力。另外可以看到，叶片14与喷管6的内壁齐平的叶片14的边缘7是弯曲的。另外，和图1中一样，可以看到喷管的形状稍微向后收敛。最后可以注意到，推进组件1的转动轴Y不一定与支撑柱架3的对称轴一致，例如可以像图2中的Y′的位置一样向前错开。

[39]申请人进行的计算模拟可以建立带有一位于舱艇前部的螺旋桨的普通POD型推进组件与一带有一装在舱艇中的电马达的也是POD型的符合本发明的推进组件之间的比较。例如，符合本发明的推进组件具有一直径大约为二米的舱艇2和一直径大约为四米的喷管6，马达功率约为13MW。冠形体5包括七个导向导向翼，并且螺旋桨5包括五个叶片14。转子每分钟的转速大于二百。在相同的马达功率下，本发明可以使马达的重量减少约50％，螺旋桨和舱艇的直径减小约25％，因此使吃水深度减少三米，并且带有螺旋泵的POD组件的效率比普通POD组件的效率高5％以上。因此，总体上说，本发明的比已知的普通POD组件和螺旋泵推进器的现有技术得到的优点是很明显的。

[40]图3表示符合本发明的另一推进组件的俯视示意图。舱艇2和螺旋泵表示为沿一包含舱艇的纵向轴线X的水平平面的剖面，而支撑柱架3′表示为沿一位于舱艇之上的另一水平平面的剖面。支撑柱架3′的后端部分3′A构成一流动导向导向翼，该部分有一具有相对舱艇的轴线X的确定方向为α′的基本为平面的表面。冠形体5包括至少两个与图1和2中的导向翼50至55类似的导向翼，因此包括一由部分3′A构成的特殊导向翼。

[41]总之，在一符合本发明的推进组件中，导向翼冠形体与舱艇的纵向轴线X垂直包括在其中的区域Zx位于支撑柱架的中心部分与螺旋桨之间，所述中心部分包括一设在支撑柱架中并且与船舶内部连通的空腔。在图3所示的实施例中，支撑柱架3′的中心部分C基本位于安装在舱艇中的马达8之上，并且该中心部分中设有一在舱艇与船舶内部之间的强制空气流，其流量足以冷却马达。

[42]可以将支撑柱架的后端部分3′A设置为上升到与船壳齐平，超过喷管6的上部，因此在该部分3′A设有一前加固部分，以便可以沿部分3′A从上面插入喷管，并且通过部分3′A保持喷管。该实施例可以在一定程度上比图1和2看到的实施例减小推进组件的水动力阻力。

[43]图4非常示意性地表示从船舶后面看的另一符合本发明的实施例的立面图。该组件为POD型，并且包括两个并排设置的相同或几乎相同的推进器。这里每个推进器与前面描述的推进组件1或1′相同。两个推进器与唯一一转动安装在船舶的水下部分10下面的支撑柱架3″机械连接。该支撑柱架3″形状为有三个分支的星形，并且它的转轴Y″相当于最大分支的轴线。一如图1至3中看到的推进组件1或1′的功率可以几乎加倍，而不需使用一更强的螺旋泵，也不增加吃水深度，因此保留了只有一穿过船壳的转动密封轴承9的优点。

Claims (11)

1.用于船舶的推进组件(1；1′；1″)，该推进组件包括：

—至少一舱艇(2)，其与一支撑柱架(3；3′；3″)机械连接，所述支撑柱架设计用于被安装在一船舶的水下部分(10)的下方；

—一螺旋桨(4)，其位于所述舱艇的后部，该螺旋桨包括至少两个叶片(14)，并且与一传动轴(11)转动连接，该传动轴(11)与一马达(8)连接；

—一具有至少三个流动导向翼(50至55；3′A)的装置，所述流动导向翼固定在所述舱艇(2)上，所述装置形成一与所述舱艇(2)的纵向轴线(X)基本垂直的冠形体(5)；

其特征在于，该推进组件包括一喷管(6)，所述喷管(6)至少部分包围所述螺旋桨(4)和所述导向翼的冠形体(5)；每个所述叶片(14)具有一带有一边缘(7)的端部——该边缘与所述喷管(6)的内壁齐平，以便使所述螺旋桨(4)构成一螺旋泵的转子；并且所述冠形体(5)包括在一位于所述支撑柱架(3；3′；3″)的中央部分与所述螺旋桨之间的区域(Zx)中。

2.如权利要求1所述的推进组件，其特征在于，所述喷管(6)通过至少五个导向翼(50至55；3′A)固定在所述舱艇(2)上，且所述螺旋桨(4)包括至少三个叶片(14)。

3.如上述权利要求中任一项所述的推进组件，其特征在于，所述冠形体(5)的每个导向翼(50至55；3′A)具有一至少近似为平面的表面，该表面具有相对所述舱艇(2)的轴线(X)的确定取向(α₀，...，α₅；α′)。

4.如权利要求3所述的推进组件，其特征在于，所述喷管(6)的入口剖面和每个导向翼的取向(α₀，...，α₅；α′)适应于所述船舶的尾流图。

5.如权利要求3或4所述的推进组件，其特征在于，每个导向翼的确定方向(α₀，...，α₅；α′)在3度到15度之间。

6.如上述权利要求中任一项所述的推进组件，其特征在于，所述螺旋桨(4)的旋转方向可以反向，以便产生用于制动所述船舶的制动推力。

7.如上述权利要求中任一项所述的推进组件，其特征在于，所述螺旋泵转子的每个叶片(14)具有一笔直的母线。

8.如上述权利要求中任一项所述的推进组件，所述支撑柱架(3′)的后端(3′A)构成所述冠形体(5)的所述导向翼中的一个。

9.船舶，其装备有至少一个如上述权利要求中任一项所述的推进组件(1；1′；1″)，其特征在于，所述组件的支撑柱架(3；3′；3″)设计用于固定安装在所述船舶的水下部分(10)的下方。

10.如权利要求9所述的船舶，其装备有至少一个如上述权利要求中任一项所述的推进组件(1；1′；1″)，其特征在于，所述组件的支撑柱架(3；3′；3″)设置用于安装成在所述船舶的水下部分(10)的下方枢转，以使所述推进组件为POD型。

11.如权利要求8或9所述的船舶，其特征在于，所述喷管(6)与所述船舶的水下部分(10)之间的距离(D_Y)被确定成使得所述螺旋桨(4)以最佳方式在所述船舶的尾流中工作。

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