EP0545666B1 - Hélice marine à pas variable avec déplacement hydrodynamique, déplacement de ressort prédisposé et dispositif de synchronisation - Google Patents

Hélice marine à pas variable avec déplacement hydrodynamique, déplacement de ressort prédisposé et dispositif de synchronisation Download PDF

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EP0545666B1
EP0545666B1 EP92310941A EP92310941A EP0545666B1 EP 0545666 B1 EP0545666 B1 EP 0545666B1 EP 92310941 A EP92310941 A EP 92310941A EP 92310941 A EP92310941 A EP 92310941A EP 0545666 B1 EP0545666 B1 EP 0545666B1
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blade
hub
hydrodynamic force
pitch position
propeller
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Michael A. Karls
Roger E. Koepsel
Ronald M. Steiner
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Brunswick Corp
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H3/002—Propeller-blade pitch changing with individually adjustable blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/26—Blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H3/008—Propeller-blade pitch changing characterised by self-adjusting pitch, e.g. by means of springs, centrifugal forces, hydrodynamic forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H2003/004—Propeller-blade pitch changing comprising means for locking blades in position

Definitions

  • FIG. 2 is a sectional view of a portion of the structure of FIG. 1, and shows a low pitch position of the propeller blade.
  • FIG. 6 shows a propeller blade profile, as known in the prior art.
  • FIG. 7 shows propeller blade load due to angle of attack (slip) at a high angle, as known in the prior art.
  • FIG. 15 is like FIG. 14 and illustrates operation at a low angle of attack.
  • FIG. 19 is an end view of the preferred embodiment of a marine propeller in accordance with the present invention.
  • FIG. 27 is an end view of the structure of FIG. 26 in the down-pitched position.
  • FIG. 29 is an end view of the structure of FIG. 28 in the up-pitched position.
  • FIG. 2 shows the low pitch position of blade 46.
  • FIG. 3 shows the high pitch position of blade 46.
  • Cantilever leaf spring 94 biases blade 46 to the high pitch position, FIG. 3.
  • blade 46 In the at rest condition of the propeller, blade 46 is in the up-pitched position shown in FIG. 3.
  • water pressure on positive pressure front-side surface 86 of blade 46 immediately causes the blade to pivot counterclockwise to the low pitch position shown in FIG. 2. Even though the blade starts in the FIG. 3 position, water pressure almost immediately downshifts the blade to the FIG. 2 position.
  • the down-pitched position of blade 46 in FIG. 2 is desirable for enhanced acceleration.
  • a strong spring would be needed to overcome the water pressure to up-shift the blade and return the blade to the up-pitched position in FIG. 3.
  • airfoils have the opposite characteristic, and shift the center of pressure rearwardly with decreasing angles of attack, for example as shown on page 68 of the noted Rice reference.
  • airfoil profile 136 is not suitable for marine applications nor for marine variable pitch propellers, the characteristic of moving the center of pressure forwardly with decreasing angles of attack is desirable for up-pitching of pivoted marine propeller blades.
  • Positive pressure area 160 on backside surface 148 is spaced rearwardly of pivot axis 154 and extends between transition area 170 and rearward trailing portion 144.
  • Frontside surface 146 has a section 172 of convex curvature extending rearwardly from transition area 170 to rearward trailing portion 144 and facing the noted first direction.
  • Positive pressure area 160 on backside surface 148 is on the backside of convex curvature section 172 of frontside surface 146.
  • Blade 140 has two positive pressure surfaces 168 and 160 which face oppositely.
  • a trade-off of providing positive pressure surface 160 on backside 148 is increased drag at high speed due to upswept trailing edge 166. At start-up and at low speed, this is not a trade-off because at high angle of attack 156 the trailing edge 166 is not in the water flow path.
  • a centrifugal force mechanism to be described, is provided in the hub and pivots the blades to the high pitch position with increasing propeller rotational speed, such that each blade is pivoted to its high pitch position by the combination of both backside hydrodynamic force and centrifugal force.
  • the centrifugal force aides the up-pitching moment generated by the counteractive hydrodynamic force generating area 160 and enhances the up-pitching moment due to re-attached water flow.
  • the inclusion of a centrifugal force mechanism in combination is preferred.
  • centrifugal force mechanism in combination is preferred because the balance point relative to the pivot axis is then not as critical because of the additional force component provided by the centrifugal weights.
  • the positive backside force 162 provides an impetus or kick to start the up-pitching pivoting, and the centrifugal force continues such pivoting with increasing force due to increasing centrifugal force as radius increases due to outward movement of the centrifugal weights.
  • the increasing centrifugal force can overcome the balance point of the blade pivot axis relative to movement of the location of the resultant hydrodynamic force, thus making such balance point less critical.
  • Lever arm 258 extends rearwardly in the interior of the hub from trunnion 288 and is movable between a first inward position close to axis 232 and corresponding to the low pitch position of blade 236, and a second outward position away from axis 232 and corresponding to the high pitch position of blade 236.
  • Discs 302 and 304 are generally flat planar plate-like members extending radially outwardly from longitudinal axis 232 and lying in planes perpendicular to longitudinal axis 232.
  • Extended propeller nut 262 has a reduced diameter section 312 extending rearwardly from barrel section 270, and a hex configuration outer end 314 for tightening nut 262 onto propeller shaft 250.
  • Disc 304 has a central aperture 316 through which reduced diameter nut section 312 extends for rotatably mounting disc 304 on nut section 312. Nut sections 312 and 314 are internally threaded at 318, FIG. 24, for receiving a threaded mounting bolt 320 for holding disc 304 on nut 262 with washers 322 and 324.
  • Disc 304 has a central forwardly extending shank portion 326 on which disc 302 is rotatably mounted at central aperture 328.
  • Shank portion 326 has a hole 330 receiving forward end 260 of spring 244.
  • Disc 304 has peripheral arcuate slots 332, 334, 336 through which respective screws 338, 340, 342, FIG. 22, extend and are threaded into respective threaded openings 344, 346, 348, FIG. 23, in disc 302, to mount the discs to each other.
  • the discs have respective indexing serrations 350 and 352 providing indexing structure for adjustably changing the angular positions of discs 302 and 304 relative to each other to change the bias on disc 302 biasing the propeller blades to their low pitch position, to be described.
  • Spring 244 engaging disc 304 biases the latter to a given angular position which in turn biases disc 302 to the given angular position.
  • Guide slots 420, 430, 432 move in an arc about longitudinal axis 404 as disc 424 rotates, comparably to disc 302, FIGS. 27 and 29.
  • the embodiment in FIG. 31 relies only on the noted hydrodynamic force to up-pitch the blades.
  • Disc 424 provides the noted synchronizing mechanism such that arms 420, 426, 428 can move only in unison, thus preventing blade flutter.

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Claims (20)

  1. Hélice marine comprenant un moyeu (230, 402) propre à tourner autour d'un axe longitudinal (232) et ayant plusieurs pales (140, 180, 202, 234, 236, 406, 408, 410) qui s'étendent sur lui radialement vers l'extérieur et qui peuvent pivoter autour d'axes de pivotement radiaux respectifs (154, 192, 238, 240, 242, 412, 414, 416) entre une position de petit pas et une position de grand pas, chaque pale ayant une partie d'attaque avant (142, 182, 204) et une partie de fuite arrière (144, 184, 206) et une surface antérieure de pression positive (146, 186, 208) qui s'étend entre ladite partie d'attaque avant et ladite partie de fuite arrière, et une surface postérieure de pression négative (148, 188, 210) qui s'étend entre ladite partie d'attaque avant et ladite partie de fuite arrière et qui est située à l'opposé de ladite surface antérieure, caractérisée en ce qu'une zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste (160, 196, 216) est située à l'arrière de ladite surface postérieure, de telle manière que ladite pale soit amenée à pivoter par un écoulement d'eau accru le long de ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste, lorsque les angles d'attaque décroissent, lequel écoulement d'eau accru produit une force hydrodynamique postérieure sur ladite pale au niveau de ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste, espacée dudit axe de pivotement par un bras de levier constitué par la section de la pale entre ledit axe de pivotement et ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste, de telle manière que ladite force hydrodynamique postérieure, agissant sur ledit bras de levier fasse pivoter la pale vers une position de pas augmenté.
  2. Hélice selon la revendication 1, dans laquelle ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste augmente le moment de pivotement d'augmentation de pas autour dudit axe de pivotement, lorsque les angles d'attaque décroissent.
  3. Hélice selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste (160, 196, 216) sur ladite pale déplace l'emplacement de la force hydrodynamique résultante sur ladite surface antérieure lorsque l'angle d'attaque change, de telle manière que, lorsque l'angle d'attaque décroit, l'emplacement de la force hydrodynamique résultante sur ladite surface antérieure se déplace vers l'avant pour faire pivoter ladite pale vers une position de pas augmenté.
  4. Hélice selon la revendication 3, dans laquelle l'emplacement de ladite force hydrodynamique résultante sur ladite surface antérieure se déplace d'un point à l'arrière dudit axe de pivotement jusqu'à un point à l'avant dudit axe de pivotement, lorsque les angles d'attaque décroissent.
  5. Hélice selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle un mécanisme à force centrifuge est prévu dans ledit moyeu pour faire pivoter ladite pale vers ladite position de grand pas lorsque la vitesse de rotation de l'hélice croît, de telle manière que ladite pale soit amenée à pivoter vers ladite position de grand pas par la combinaison de ladite force hydrodynamique postérieure et de ladite force centrifuge.
  6. Hélice selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste sur ladite surface postérieure au niveau de ladite partie de fuite arrière, séparant l'écoulement d'eau le long de ladite surface postérieure au niveau de ladite partie de fuite arrière, dans le cas de grands angles d'attaque, et réunissant l'écoulement d'eau le long de ladite surface postérieure au niveau de ladite partie de fuite arrière, dans le cas de petits angles d'attaque, afin de transformer ladite surface postérieure au niveau de ladite partie de fuite arrière en une zone de pression positive pour produire ledit moment d'augmentation de pas.
  7. Pale d'hélice marine (140, 180, 202, 234, 236, 406, 408, 410) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir d'un moyeu d'hélice et pouvant pivoter autour d'un axe de pivotement radial (154, 192, 238, 240, 242, 412, 414, 416) entre une position de petit pas et une position de grand pas, ladite pale comprenant une partie d'attaque avant (142, 182, 204) et une partie de fuite arrière (144, 184, 206), et une surface antérieure de pression positive (146, 186, 208) qui s'étend entre ladite partie d'attaque avant et ladite partie de fuite arrière, et une surface postérieure de pression négative (148, 188, 210) qui s'étend entre ladite partie d'attaque avant et ladite partie de fuite arrière et qui est située à l'opposé de ladite surface antérieure, caractérisée en ce qu'une zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste (160, 196, 216) est située à l'arrière de ladite surface postérieure, de telle manière que ladite pale soit amenée à pivoter par un écoulement d'eau accru le long de ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste lorsque les angles d'attaque décroissent, lequel écoulement d'eau accru produit une force hydrodynamique postérieure sur ladite pale au niveau de ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste, espacée dudit axe de pivotement par un bras de levier constitué par la section de la pale entre ledit axe de pivotement et ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste, de telle manière que ladite force hydrodynamique postérieure, agissant sur ledit bras de levier fasse pivoter la pale vers une position de pas augmenté.
  8. Pale selon la revendication 7, dans laquelle ladite surface antérieure a une section à courbure concave, qui s'étend à partir de ladite partie d'attaque avant de ladite pale, vers l'arrière jusqu'à une zone de transition entre ledit axe de pivotement et ladite partie de fuite arrière, et qui est orientée dans une première direction, ladite surface antérieure a une section à courbure convexe, qui s'étend vers l'arrière à partir de ladite zone de transition jusqu'à ladite partie de fuite arrière et qui est orientée dans ladite première direction, et dans laquelle ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste sur ladite surface postérieure est au niveau de ladite partie de fuite arrière et sur la surface postérieure de ladite section à courbure convexe de ladite surface antérieure.
  9. Pale selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle ladite zone génératrice de force hydrodynamique antagoniste (160, 196, 216) sur ladite pale est utile uniquement pour des angles d'attaque décroissants, afin de produire un moment d'augmentation de pas autour dudit axe de pivotement, de telle manière que, pour de grands angles d'attaque, il y ait une pression hydrodynamique positive sur ladite surface antérieure et de telle manière que, pour de petits angles d'attaque, il y ait une pression hydrodynamique positive à la fois sur ladite surface antérieure et sur ladite zone de pression positive.
  10. Hélice selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite hélice comprend un ressort de sollicitation (244), coaxial avec ledit axe de rotation longitudinal dudit moyeu, et sollicitant lesdites pales vers la position de petit pas.
  11. Hélice selon la revendication 10, dans laquelle ledit moyeu a une partie avant (246) qui peut être montée sur un arbre d'entraînement d'hélice (250), et une partie arrière (254), et comprenant un mécanisme de précontrainte (256) au niveau de ladite partie arrière et relié auxdites pales par plusieurs bras de levier respectifs (258), ledit ressort étant situé à l'arrière desdits axes de pivotement radiaux et ayant une partie arrière montée sur ledit mécanisme de précontrainte et fixée par rapport à celui-ci, et sollicitant lesdites pales vers ladite position de petit pas, lesdits bras de levier ayant des extrémités arrière propres a coulisser le long dudit mécanisme de précontrainte suivant une direction radiale perpendiculaire audit axe longitudinal.
  12. Hélice selon la revendication 11, comprenant plusieurs bras de levier (258) reliés auxdites pales respectives et s'étendant vers l'arrière à l'intérieur dudit moyeu, et un mécanisme de précontrainte monté de manière réglable entre lesdits bras de levier et ledit ressort afin de régler la sollicitation par précontrainte desdites pales vers ladite position de petit pas, chaque bras de levier ayant une extrémité avant montée, de manière non rotative, sur une pale respective, au niveau dudit axe de pivotement et pouvant pivoter avec elle, de telle manière que ladite pale et ledit bras de levier aient le même axe de pivotement et pivotent ensemble autour de celui-ci.
  13. Hélice selon la revendication 12, dans laquelle ledit mécanisme de précontrainte comprend un élément de réglage (304) propre à tourner autour dudit axe longitudinal à l'arrière dudit moyeu, et accessible à l'utilisateur à cet endroit, pour modifier le point de passage desdites pales par un déplacement vers le haut de ladite position de petit pas à ladite position de grand pas.
  14. Hélice selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ledit moyeu comprenant une paroi latérale cylindrique (280) ayant une surface interne (282) définissant l'intérieur dudit moyeu, et une surface externe (284) définissant l'extérieur dudit moyeu, plusieurs tourillons (214, 286, 288) s'étendant radialement à travers ladite paroi latérale cylindrique et ayant des extrémités extérieures fixées auxdites pales respectives (202, 234, 236) ainsi que des extrémités intérieures à l'intérieur dudit moyeu, plusieurs bras de levier (258) s'étendant chacun vers l'arrière à l'intérieur dudit moyeu à partir d'un tourillon respectif, chaque bras de levier étant déplaçable entre une première position qui correspond à ladite position de petit pas de sa pale respective, et une seconde position qui correspond à ladite position de grand pas de sa pale respective, un disque (302) ayant plusieurs fentes de guidage (306, 308, 310) chacune recevant et retenant un bras de levier respectif et limitant le mouvement desdits bras de levier le long desdites fentes de guidage, de telle manière que lesdits bras de levier puissent uniquement se déplacer simultanément entre lesdites première et seconde positions.
  15. Hélice selon la revendication 14, dans laquelle ledit disque peut tourner par rapport audit moyeu, autour dudit axe longitudinal de rotation de celui-ci, et dans laquelle lesdites fentes de guidage sont espacées radialement vers l'extérieur par rapport audit axe longitudinal, de telle manière que lesdites fentes de guidage se déplacent selon un arc autour dudit axe longitudinal lors de la rotation dudit disque,
       si bien que le pivotement desdites pales est commandé à la fois
    a) par un mouvement desdits bras de levier suivant lesdites fentes de guidage, et
    b) par un mouvement en arc desdites fentes de guidage lorsque ledit disque tourne autour dudit axe longitudinal,
       et si bien que le pivotement de chaque pale, de ladite position de petit pas à ladite position de grand pas, requiert à la fois
    a) le mouvement du bras de levier respectif suivant sa fente de guidage respective, et
    b) la rotation dudit disque pour déplacer, suivant un arc, ladite fente de guidage.
  16. Hélice selon la revendication 14, dans laquelle ledit disque peut tourner, par rapport audit moyeu, autour dudit axe longitudinal de rotation de celui-ci, et dans laquelle lesdites fentes de guidage sont espacées radialement vers l'extérieur par rapport audit axe longitudinal, de telle manière que lesdites fentes de guidage se déplacent selon un arc autour dudit axe longitudinal lors de la rotation dudit disque, et comprenant un ressort de sollicitation (244) sollicitant ledit disque vers une première position tournée, correspondant à ladite position de petit pas desdites pales, de telle manière que le pivotement desdites pales, de ladite position de petit pas à ladite position de grand pas, doive déplacer lesdits bras de levier le long desdites fentes de guidage et déplacer lesdites fentes de guidage suivant un arc, en surmontant l'action dudit ressort de sollicitation, pour faire tourner ledit disque.
  17. Hélice selon la revendication 14, dans laquelle ledit disque peut tourner, par rapport audit moyeu, autour dudit axe longitudinal de rotation de celui-ci, ledit moyeu ayant une partie avant (246) qui peut être montée sur un arbre d'entraînement d'hélice (250) par un écrou d'hélice étendu (262), et une partie arrière (254) qui reçoit un ressort de sollicitation sollicitant ledit disque vers une première position tournée, correspondant à ladite position de petit pas desdites pales, et comprenant un second disque (304) situé à l'arrière dudit disque mentionné en premier et solidement monté sur celui-ci, lesdits disques ayant des ouvertures centrales alignées dans lesquelles s'étend ledit écrou d'hélice étendu.
  18. Hélice selon la revendication 14, comprenant un second disque (304) venant en prise avec ledit disque mentionné en premier, et un moyen de sollicitation (244) venant en prise avec ledit second disque et le sollicitant pour qu'à son tour il sollicite ledit premier disque vers une première position correspondant à ladite position de petit pas desdites pales, et comprenant des moyens de positionnement (350, 352) pour modifier, de manière réglable, les positions angulaires desdits premier et second disques l'un par rapport à l'autre, afin de modifier la sollicitation exercée sur ledit premier disque sollicitant lesdites pales vers ladite position de petit pas.
  19. Hélice selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ledit moyeu comprend une paroi latérale cylindrique (280) ayant une surface interne (282) définissant l'intérieur dudit moyeu, et une surface externe (284) définissant l'extérieur dudit moyeu, plusieurs tourillons (214, 286, 288) s'étendant radialement à travers ladite paroi latérale cylindrique et ayant des extrémités extérieures fixées auxdites pales respectives (202, 234, 236) ainsi que des extrémités intérieures à l'intérieur dudit moyeu, plusieurs bras de levier (258, 366) s'étendant chacun vers l'arrière à l'intérieur dudit moyeu à partir d'un tourillon respectif, chaque bras de levier étant déplaçable entre une première position qui correspond à ladite position de petit pas de sa pale respective, et une seconde position qui correspond à ladite position de grand pas de sa pale respective, les bras de levier ayant des poids centrifuges (298, 368) se déplaçant vers l'extérieur du fait de la force centrifuge lorsque la vitesse de rotation de l'hélice augmente, pour faire pivoter lesdites pales vers ladite position de grand pas, ladite force centrifuge agissant en combinaison avec ladite force hydrodynamique produisant ledit moment d'augmentation de pas, pour faire pivoter ladite pale vers ladite position de grand pas.
  20. Hélice selon la revendication 19, comprenant un ressort de sollicitation (244) coaxial avec l'axe longitudinal de rotation dudit moyeu et s'étendant vers l'arrière vers un mécanisme de précontrainte (256), accessible à l'arrière dudit moyeu pour régler la charge préliminaire dudit ressort de sollicitation, la combinaison de ladite force centrifuge et de ladite force hydrodynamique produisant ledit moment d'augmentation de pas tout en surmontant l'action dudit ressort de sollicitation, dans le cas d'angles d'attaque décroissants, ledit mécanisme de précontrainte réglant la charge préliminaire dudit ressort de sollicitation et la grandeur de la force combinée constituée par ladite force centrifuge et ladite force hydrodynamique, produisant ledit moment d'augmentation de pas requis pour surmonter la charge préliminaire dudit ressort de sollicitation.
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