DK169827B1 - Forbrændingsmotor til fremdrivning af et skib og elastisk kobling hertil - Google Patents

Description

i DK 169827 B1

Opfindelsen angår en forbrændingsmotor til frem-drivning af et skib, omfattende en med motorens krumtapaksel forbundet propelleraksel og et trykleje til optagelse af aksialrettede tryk- og trækkræfter samt en 5 elastisk kobling, som kan overføre motorens drejningsmoment men ikke eller kun i ringe grad dens torsionssvingninger.

Der kendes en firetakts mediumspeed motor, hvor den elastiske kobling er anbragt mellem krumtapakslen 10 og et reduktionsgear, som gennem tryklejet er forbundet med propellerakslen.

Ved fremdrivningsmotorer til skibe er det af væsentlig betydning at kunne kontrollere de torsionssvingninger, der forekommer i de med krumtapakslen for-15 bundne elementer, såsom mellemaksler, propelleraksler og eventuelle gear. Torsionssvingningerne anslås hovedsagelig af de varierende tangentialkræfter, som under motorens gang forekommer ved plejlstangens lejring på krumtapakslen.

20 Torsionssvingningernes frekvens og størrelse af hænger dermed både af motorens cylinderantal og af krumtapakslens omdrejningshastighed. For at hindre skader i motoranlæggets akselsystem, har klassifikationsselskaberne fastsat en første og en anden øvre omdrej-25 ningstalsafhængig grænseværdi for torsionsspændingerne i akselsystemet. Overskridelse af den anden øvre grænseværdi er ikke tilladt, mens overskridelse af den første øvre grænseværdi kan tillades, hvis der for det omdrejningstalsinterval, hvori grænseværdien overskri-30 des, indføres et såkaldt spærret hastighedsområde, hvor motoren ikke kan indstilles til kontinuert drift. Ved omdrejningstal på over 80% af MCR (Maximum Continious Rating) må torsionsspændingerne ikke overstige den første grænseværdi.

35 De kendte akselsystemer er principielt udformet på tre forskellige måder: DK 169827 B1 2 A. Akselsystemet gøres langt ved at anvende mellemaksler af passende længde, og akseldiameteren holdes passende lille, eventuelt ved at anvende et akselmateriale med stor styrke. Som følge af akselsystemets sto-5 re længde og lille diameter er det forholdsvis fleksibelt, hvilket bringer akselsystemets resonansfrekvens overfor torsionssvingninger ned under 80% af motorens MCR-punkt og bringer torsionsspændingerne omkring resonansen ned under den anden øvre grænseværdi. Det er 10 en ulempe ved denne løsning, at motoren får et spærret hastighedsområde, og at den skal placeres forholdsvis langt fremme i skibet for at gøre plads til det lange akselsystem, hvilket reducerer den plads, der er til rådighed for lastrum m.v.

15 B_i_ Akselsystemet gøres forholdsvis kort og stift, så akselsystmets resonansfrekvens for torsionssvingninger ligger tæt ved motorens MCR punkt. Da torsionsspændingerne omkring resonansfrekvensen i dette tilfælde vil overskride den anden øvre grænseværdi, er det 20 nødvendigt enten at montere torsionssvingningsdæmpere af passende størrelse på motoren og derved mindske spændingsniveauet til under denne grænseværdi og acceptere, at motoren har et spærret hastighedsområde, der ligger forholdsvis tæt på MCR punktet, eller montere så 25 kraftigt virkende torsionsvibrationsdæmpere på motoren, at spændingsniveauet falder til under den første øvre grænseværdi.

C. Akselsystemet gøres forholdsvis kort, og akseldiameteren gøres så stor, at akselsystemets kritiske 30 resonnansfrekvens ligger omtrent 40-45% over MCR-punktet.

For løsning B og navnlig for løsning C gælder, at akselsystemets store stivhed fører til, at det af torsionssvingningerne frembragte varierende drejnings-35 moment overføres til propelleren og bevirker uønskede svingninger i denne. Ved løsning C kan det varierende DK 169827 B1 3 drejningsmoment nå op på ca. 50% af middeldrejningsmomentet. Det varierende drejningsmoment fører til, at propelleren anslår uønskede aksialsvingninger i akselsystemet .

5 Opfindelsen har til formål at mindske ovennævnte ulemper ved at tilvejebringe et passende fleksibelt akselsystem med en passende kort længde.

Med henblik herpå er forbrændingsmotoren ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at den elastiske kobling 10 er monteret mellem propelleren og tryklejet sammen med mindst ét element, der kan overføre de aksiale tryk- og trækkræfter men i det væsentlige giver efter overfor motorens drejningsmomentpåvirkninger.

For enkelheds skyld omtales det tryk- og træk-15 overførende element herefter som et trykoverførende element, selv om elementet både kan overføre tryk- og trækkræfter.

Det trykoverførende element i den elastiske kobling tillader, at denne anbringes agten for tryklejet, 20 som i en to-takts motor normalt er beliggende ved agterenden af krumtapakslen. Da hverken det trykoverførende element eller den elastiske kobling i nævneværdig grad overfører torsionssvingningerne fra motoren til akselsystemet, kan propellerakslen og eventuelle mel-25 lemaksler udformes stort set uden hensyntagen til torsionssvingningerne. Der kan dermed med en meget kort akselindbygningslængde opnås samme fleksibilitet, som med det meget lange og tynde akselsystem nævnt ovenfor under punkt A. Udover det fordelagtigt korte akselsy-30 stem opnås med opfindelsen den fordel, at forbrændingsmotoren ikke behøver at have et spærret omdrejningstalsområde.

Opfindelsen er navnlig anvendelig ved langsomt-gående totakts forbrændingsmotorer med fra 4 til 7 cy-35 lindre, idet akselsystemets laveste egenfrekvens for torsionssvingninger for disse motorer kan anslås af den DK 169827 B1 4 harmoniske orden for motorens torsionssvingninger, som svarer til cylinderantallet. Dette betyder, at problemet med akselsvingninger er særlig udtalt for motorer med disse cylinderantal. Opfindelsen er også anvendelig 5 ved motorer med 8 eller flere cylindre, idet resonans med andre ordner her kan anslå akselsystemets egenfrekvens .

I en konstruktivt enkel udførelsesform er det trykoverførende element en aflang stang med væsentlig 10 mindre diameter end propellerakslen og med to ender, der er fast forbundet med to akselstykker, hvorimellem den elastiske kobling er monteret. Stangens lille diameter gør den så fleksibel, at den giver efter overfor drejningsmomentpåvirkningerne, og den elastiske kobling 15 aflastes for aksialrettede trykkræfter, fordi disse overføres fra det ene til det andet akselstykke gennem stangen.

I en udførelsesform, der udmærker sig ved at give en optimal kraft- og momentoverførsel er den elasti-20 ske koblings fleksible element monteret mellem to flanger, der er båret af hule akselstykker med hovedsagelig samme ydre diameter som propellerakslen, og den aflange stang er monteret koaksialt med propellerakslen inden i de hule akselstykker. Den centrale montering af den af-25 lange stang medfører dels at de aksialrettede trykkræfter kan overføres uden bøjningsmomentvirkninger på stangen, dels at stangen deformeres minimalt af de forekommende drejningsmomenter, og placeringen af de hule akselstykkers materiale i afstand fra omdrejningsaksen 30 gør dem velegnede til at overføre drejningsmomenter.

Den elastiske kobling har desuden kompakt udformning, fordi den aflange stang er monteret inden i de hule akselstykker. Stangen ligger endvidere godt beskyttet mod slagpåvirkninger eller lignende, der kan beskadige 35 stangen.

Det foretrækkes, at de to akselstykker, der bærer den elastiske koblings fleksible element er udfor- DK 169827 B1 5 met med hver sin aksialt overfor hinanden beliggende trykflader, og at det trykoverførende element ved normal drift holder de to akselstykker aksialt adskilt, så der mellem de to trykflader er et luftgab. Den aksiale 5 adskillelse af akselstykkernes trykflader bevirker, at disse ikke slides af de indbyrdes forholdsvis små dre-jebevægelser mellem de to akselstykker. Hvis det trykoverførende element skulle svigte, presser den aksial-rettede trykkraft de to trykflader ind mod hinanden, så 10 trykkraften overføres gennem trykfladerne direkte fra det ene til det andet akselstykke ved fremdrift af skibet. Svigt af det trykoverførende element hindrer dermed ikke, at skibet fortsat drives frem i et begrænset tidsrum, indtil elementet kan udskiftes.

15 Da det er ønskeligt, at forbrændingsmotoren ved svigt af det trykoverførende element både kan drive skibet frem og bak, er forbrændingsmotoren hensigtsmæssigt udformet således, at der i det ene akselstykke eller i et til akselstykket hørende trykstykke er fast-20 gjort flere i omkredsretningen fordelte sikringsbolte, der hver har et skaftafsnit, som berøringsfrit strækker sig gennem et tilhørende hul i en flange på det andet akselstykke og har en længde større end hullets aksiale længde, og at hver bolt ved skaftafsnittets afslutning 25 udenfor flangen har en krave, der rager ud over det tilhørende hul. Hvis skibet ved svigt af det trykoverførende element drives i den ene retning, overføres ak-sialtrykket gennem de ovennævnte trykflader, og hvis skibet drives i den anden retning, bringes flangen på 30 det andet akselstykke i anlæg mod kraverne på sikringsboltene, så aksialtrykket overføres fra flangen på det andet akselstykke gennem kraverne og skaftafsnittene til det ene akselstykke.

De aksialt over for hinanden beliggende trykfla-35 der og de over for hinanden beliggende flader på kraverne og det andet akselstykkes flange er fortrinsvis DK 169827 B1 6 bearbejdet til at have lille ruhed, hvilket ved svigt af det trykoverførende element begrænser sliddet på anlægsfladerne og forlænger det tidsrum, hvori nødkørsel er mulig.

5 Opfindelsen vedrører endvidere en elastisk kob ling til en forbrændingsmotor af ovennævnte art, hvor de to akselstykker, der bærer den elastiske koblings fleksible element er indbyrdes forbundet af mindst ét element, der holder de to akselstykker adskilt i aksi-10 alretningen og kan overføre de ved normal drift forekommende aksiale tryk- og trækkræfter uden samtidig i væsentlig grad at overføre de forekommende drejningsmomentpåvirkninger .

Af ovennævnte grunde er det trykoverførende ele-15 ment hensigtsmæssigt en aflang stang monteret koaksialt i hulrum i de to akselstykker, hvilken stang har væsentlig mindre diameter end yderdiameteren af de to akselstykker .

Eksempler på udførelsesformer for opfindelsen 20 forklares herefter nærmere med henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et aksialt snit gennem en elastisk kobling ifølge opfindelsen, fig. 2 i større skala et sidebillede af en sik-25 ringsbolt monteret i koblingen, fig. 3 i udsnit et tværsnit efter linien III-III i fig. 2, fig. 4 et aksialt snit gennem en aflang stangs montering i et hult akselstykke, og 30 fig. 5 i centralt udsnit et endebillede af ak selstykket i fig. 4.

I fig. 1 ses en generelt med 1 betegnet elastisk kobling, der er monteret mellem motorens tørne-hjul 2 agten for tryklejet og en mellem- eller 35 propelleraksel 3. Koblingen omfatter et første akselstykke 4 og et andet akselstykke 5 med hver sin sam- DK 169827 Bl 7 menspændings flange 6, der er spændt fast sammen med henholdsvis tørnehjulet og akslen 3 ved hjælp af pasbolte 7 indsat i sammenhørende boringer 8 og 9 i de ud for hinanden liggende flangestykker.

5 En stang 10 er indsat i centrale hulrum i ak selstykkerne 4 og 5 og er ved hver stangende udformet ud i ét med en tilslutningsflange 11, der ved hjælp af bolte 12 er spændt fast sammen med hver af akselstykkerne 4 og 5. I fig. 1 er for overskueligheds skyld 10 kun vist én bolt 12, men som det ses af fig. 4 og 5 er flangen 11 spændt fast til det tilhørende akselstykke med flere, eksempelvis seks bolte 12. Pastappe 13 er indsat i sammenhørende boringer i flangen 11 og det tilhørende akselstykke for at sikre en fuldstændig 15 fiksering af flangen i forhold til akselstykket. Det andet akselstykke 5 er udført med et endestykke 14, hvori tilslutningsflangen 11 er fikseret. Endestykket 14 gør det muligt at udtage stangen fra det centrale hulrum uden at adskille de øvrige koblingsdele fra hin-20 anden.

Koblingen 1 har desuden et i og for sig kendt elastisk element 15, der kan være en såkaldt Vulkankobling af typen RATO. Det elastiske element kan være opbygget af vulkaniseret gummi 16, fæstnet på bærepla-25 der 17, 18 af stål. Bærepladerne er monteret på hver sin bæreflange 19, 20, der er fast forbundet med henholdsvis det første og det andet akselstykke ved hjælp af flere bolte 21 og 22 beliggende jævnt fordelt i bæreflangernes omkredsretning. Bæreflangerne kan begge 30 være massive, eller en af flangerne kan indeholde et sekundært elastisk element 23 fastgjort mellem et indre og ydre flangeafsnit ved hjælp af bolte 24.

Et ringformet trykstykke 25 er fikseret i forhold til det andet akselstykke 5 ved hjælp af bolte 35 26 og pastappe 27. Trykstykket har en udadragende krave 28, hvis periferi er udført med en grov fortanding, DK 169827 B1 8 som med et slør, der overstiger de under normal drift forekommende indbyrdes drejebevægelser mellem det første og det andet akselstykke, indgriber med en modsvarende fortanding langs den radialt indre rand af et 5 ringformet pladestykke 29, der er fast indspændt mellem bærepladen 18 og det første akselstykkes bæreflange 19. Pladestykket 29 og kraven 28 virker som nøddrev til at overføre drejningsmomentet i tilfælde af svigt i de elastiske elementer 15 og 23.

10 Som det tydeligst fremgår af fig. 2 har tryk stykket 25 en aksialvendt trykflade 30, der ligger aksialt over for en trykflade 31 på den modstående side af bæreflangen 19. De to trykflader er plane, rundtgående og indbyrdes parallelle. Flere i omkreds-15 retningen fordelte sikringsbolte 32 er indskruet i gevindhuller 33 i trykstykket. Hver sikringsbolt har et skaftafsnit 34, som strækker sig berøringsfrit gennem et i bæreflangen 19 udformet hul 35, som har en sådan udstrækning i omkredsretningen, at skaftafsnittet 20 34 ikke berører hulranden under de normalt forekommende indbyrdes drejebevægelser mellem trykstykket 25 og flangen 19. Sikringsboltene har endvidere en krave 36, der rager radialt ud forbi randen af hullet 35. Den hen mod flangen 19 vendende sideflade af kraven 36 25 forløber parallelt med den modstående omkring hullet 35 beliggende sideflade på flangen 19.

Skaftet 34 har større længde end tykkelsen af flangen 19, og den aksiale længde af trykstykket 25 og stangen 10 er således afpasset efter hinanden, at 30 der er et luftgab 37 mellem trykfladerne 30 og 31 og et luftgab 38 mellem kraven 36 og bæreflangen 19, når den elastiske kobling er samlet. Ved koblingens normale drift er der dermed ingen friktion mellem trykstykket 25 og bolten 32 på den ene side og bære-35 flangen 19 på den anden side. Hvis trykstangen svigter som følge af brud eller en deformation, som ændrer DK 169827 B1 9 stangens længde, overføres aksialtrykket i akslen fra det første til det andet akselstykke gennem enten trykfladerne 30 og 31 eller fra flangen 19 og bolten 32 til trykstykket 25. Det er klart, at trykstykket 5 25 kan udføres i ét stykke med det andet akselstykke 5, og de sammenhørende trykflader og/eller sikringsboltene 32 kan gives en anden beliggenhed. Det er ligeledes muligt helt at undvære trykfladerne og sikringsboltene, men i dette tilfælde vil svigt i den elastiske 10 kobling føre til, at motoren må standses. Det trykoverførende element kan også udformes på anden vis. Eksempelvis kan der anvendes flere meget bøjningsfleksible stænger, som anbringes fordelt i omkredsretningen i afstand fra akslens omdrejningsakse. I det tilfælde, at 15 det elastiske element er gennembrudt af aksialgående ventilationsåbninger, kan trykstængerne hensigtsmæssigt passere gennem disse åbninger og være monteret i bæreflangerne 19 og 20. Alternativt kan det elastiske element og det trykoverførende element indarbejdes i hin-20 anden og udformes som flere aksialgående bladfjedre, der er jævnt fordelt i omkredsretningen og er fastgjort på de to bæreflanger 19 og 20.

Det elastiske element 15 er sædvanligvis sektoropdelt for at frembringe den ønskede fleksibilitet i 25 omkredsretningen. Størrelsen og udformningen af de elastiske elementer og af det trykoverførende element må tilpasses de kræfter og momenter, som forekommer i den aktuelt valgte forbrændingsmotor.

Ved firetaktsmotorer, der er direkte koblet til 30 propellerakslen, kan der med opfindelsen naturligvis opnås de samme fordele som beskrevet ovenfor for totaktsmotorer.

35

Claims (9)

10 DK 169827 B1

1. Forbrændingsmotor til f remdrivning af et skib, omfattende en med motorens krumtapaksel forbundet propelleraksel (3) og et trykleje til optagelse af aksialrettede tryk- og trækkræfter samt en elastisk 5 kobling (1), som kan overføre motorens drejningsmoment men ikke eller kun i ringe grad dens torsionssvingninger, kendetegnet ved, at den elastiske kobling (1) er monteret mellem propelleren og tryklej et sammen med mindst et element (10), der kan overføre de 10 aksiale tryk- og trækkræfter men i det væsentlige giver efter over for motorens drejningsmomentpåvirkninger.

2. Forbrændingsmotor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at motoren er en langsomtgående totakts forbrændingsmotor med mindst 4 cylindre og for- 15 trinsvis højst 7 cylindre.

3. Forbrændingsmotor ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at det trykoverførende element er en aflang stang (10) med væsentlig mindre diameter end propellerakslen (3) og med to ender (11), der 20 er fast forbundet med hver sin af de to akselstykker (2, 3), hvorimellem den elastiske kobling er monteret.

4. Forbrændingsmotor ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den elastiske koblings (1) fleksible element (15) er monteret mellem to flanger (19, 25 20), der er båret af hule akselstykker (4, 5) med ho vedsagelig samme ydre diameter som propellerakslen (3), og at den aflange stang (10) er monteret koaksialt med propellerakslen (3) inden i de hule akselstykker.

5. Forbrændingsmotor ifølge et af kravene 1-4, 30 kendetegnet ved, at de to akselstykker (4, 5), der bærer den elastiske koblings (1) fleksible element (15), er udformet med hver sin aksialt over for hinanden beliggende trykflader (30, 31), og at det trykoverførende element (10) ved normal drift holder de 35 DK 169827 B1 11 to akselstykker (4, 5) adskilt, så der mellem de to trykflader er et luftgab (37).

6. Forbrændingsmotor ifølge krav 5, kendetegnet ved, at der i det ene akselstykke (5) el- 5 ler i et til akselstykket hørende trykstykke (25) er fastgjort flere i omkredsretningen fordelte sikringsbolte (32), der hver har et skaftafsnit (34), som berøringsfrit strækker sig gennem et tilhørende hul (35) i en flange (19) på det andet akselstykke (4) og har en 10 længde større end hullets aksiale længde, og at hver bolt ved skaftafsnittets (34) afslutnig uden for flangen har en krave (36), der rager ud over det tilhørende hul (35).

7. Forbrændingsmotor ifølge krav 6, kende-15 tegnet ved, at de aksialt over for hinanden beliggende trykflader (30, 31) og de over for hinanden beliggende flader på kraverne (36) og det andet akselstykkes flange (19) er bearbejdet til at have lille ruhed.

8. Elastisk kobling til en forbrændingsmotor af den i et af kravene 1-7 angivne art, kendetegnet ved, at de to akselstykker (4, 5), der bærer den elastiske koblings (1) fleksible element (15) er indbyrdes forbundet af mindst et element (10), der holder 25 de to akselstykker adskilt i aksialretningen og kan overføre de ved normal drift forekommende aksiale tryk-og trækkræfter uden samtidig i væsentlig grad at overføre de forekommende drejningsmomentpåvirkninger.

9. Elastisk kobling ifølge krav 8, kende-30 tegnet ved, at det trykoverførende element er en aflang stang (10) monteret koaksialt i hulrum i de to akselstykker (4, 5), og at stangen har væsentlig mindre diameter end yderdiameteren af de to akselstykker.