JP2017501083A - Ship propulsion unit - Google Patents
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Abstract
船舶用の推進ユニットは、流線形本体を有する。流線形本体は、前端部と後端部を有し、使用の際、前端部は上流に向き、後端部は下流に向き、前端部は、後端部よりも大きく且つ意図した移動方向に対して垂直である横断面を有する。水用入口開口部が、前端部に設けられ、水用入口開口部は、羽根車と連通し、羽根車は、意図した移動方向に対して平行な軸線の周りを回転し、1つ又は2つ以上の羽根を有する。水用入口開口部に入る水は、羽根車の回転軸線から半径方向に離れる向きに噴出され、噴出された水は、1つ又は2つ以上のノズルから、噴出された水を流線形本体の外面に沿って差し向けるように押し出される。A marine propulsion unit has a streamlined body. The streamlined body has a front end and a rear end, and in use, the front end faces upstream, the rear end faces downstream, and the front end is larger than the rear end and in the intended movement direction. It has a cross section that is perpendicular to it. A water inlet opening is provided at the front end, the water inlet opening communicates with the impeller, the impeller rotates about an axis parallel to the intended direction of movement, and one or two Has more than one blade. Water entering the water inlet opening is ejected radially away from the rotation axis of the impeller, and the ejected water is ejected from one or more nozzles through the streamlined body. Pushed out along the outer surface.
Description
本発明は、流線形本体を有する船舶用推進ユニットに関し、この推進ユニットは、従来の/通常の船舶用推進手段よりも大幅に少ないエネルギーしか消費しない。 The present invention relates to a marine propulsion unit having a streamlined body, which consumes significantly less energy than conventional / normal marine propulsion means.
エネルギー資源と環境問題が世界中で議題に上る時、新しいアイデアが、既知の船舶用技術の改良プロセスから生まれる。この改良プロセスにおいて、船舶用推進システムの部品に由来する損失の発生源は、長年に亘って、一定の関心及び分析の下にある。複合材料の改良は、より効率的な船舶用推進技術の発展に影響を与えている。 As energy resources and environmental issues are on the agenda around the world, new ideas emerge from the process of improving known marine technology. In this refinement process, the source of loss from marine propulsion system components has been under constant interest and analysis for many years. Improvements in composite materials have impacted the development of more efficient marine propulsion technologies.
機械的エネルギーを水に転換する新しく且つ異なる能動的エネルギー転換ユニットを、ユニークな受動的エネルギー吸収ユニットと組み合わせて使用することによって、より高い全体推進効率を得ることが、この提案された新しい推進システムの目的である。 This proposed new propulsion system is able to obtain higher overall propulsion efficiency by using a new and different active energy conversion unit that converts mechanical energy to water in combination with a unique passive energy absorption unit Is the purpose.
基本的には、商業ベースで使用されている2つの主要な推進システム或いは概念がある。船の後端部に配置されたプロペラによる推進と、船の後端部から水の噴流を放出し且つ船体の水面下部分の他の場所に水用の入口を有するウォータージェットである。 There are basically two main propulsion systems or concepts used on a commercial basis. Propulsion by a propeller disposed at the rear end of the ship, and a water jet that discharges a water jet from the rear end of the ship and has a water inlet at other locations below the surface of the hull.
今日の船舶用推進システムにおける損失に関する重要な分野は、最大で30%になり得るプロペラ渦損失または角運動量損失、噴出ダクト入口(船体側面に対する角度を有する入口)に由来するウォータージェットにおける最大30%の損失、及び、両システムにおける表面摩擦又はせん断壁応力(境界層効果)を含む主要な現存する損失である。 The key areas of loss in today's marine propulsion systems are propeller vortex loss or angular momentum loss, which can be up to 30%, up to 30% in water jets derived from the jet duct inlet (inlet with an angle to the hull side) And existing existing losses including surface friction or shear wall stress (boundary layer effect) in both systems.
これに関して、渦損失は、プロペラが水を攪拌するときに水に付与され且つプロペラの周りと後方に角度方向に回転する容積(角運動量損失)を生じさせるエネルギーとして理解される。撹拌される水の容積は、大きいエネルギー損失を含み、損失がなければ、このエネルギーは、前方への推進に使用することができるであろう。 In this regard, vortex loss is understood as the energy imparted to the water as the propeller agitates the water and creates a volume that rotates angularly around and behind the propeller (angular momentum loss). The volume of water that is agitated includes a large energy loss, and if there is no loss, this energy could be used for propulsion forward.
表面摩擦又はせん断壁応力は、特にウォータージェットシステムの入口において顕著である。濡れた表面において、水の速度がゼロである表面に近接した境界層が存在し、それと同時に、表面摩擦又はせん断壁応力を克服するために、表面との摩擦関係は、追加のエネルギーを必要とし、追加のエネルギーは、更なるエネルギー使用となる。 Surface friction or shear wall stress is particularly noticeable at the inlet of water jet systems. On wet surfaces, there is a boundary layer close to the surface where the water velocity is zero, and at the same time, the frictional relationship with the surface requires additional energy to overcome surface friction or shear wall stress. The additional energy becomes a further energy use.
したがって、本発明の目的は、従来の推進システムの損失を排除し且つ更なる利点を有する推進システムを提供することにある。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a propulsion system that eliminates the loss of conventional propulsion systems and has further advantages.
本発明は、一つの船舶用推進ユニットを提供することによってこの目的に対処するものであり、推進ユニットは流線形本体を有し、流線形本体は、前端部と後端部を有し、使用の際、前端部は上流に向き、後端部は下流に向き、前端部は後端部よりも大きく且つ意図した移動方向に対して垂直な横断面を有し、水用入口開口部が、前端部にまたは前端部に隣接して設けられ、水用入口開口部は、羽根車と連通し、羽根車は、意図した移動方向に対して平行な軸線の周りを回転し、1つ又は2つ以上の羽根を有し、水用入口開口部に入る水は、羽根車の回転軸線から半径方向に離れる向きに噴出され、噴出された水は、1つ又は2つ以上のノズルから、噴出された水を流線形本体の外面に沿って差し向けられるように押し出される。 The present invention addresses this object by providing a single marine propulsion unit, the propulsion unit having a streamlined body, the streamlined body having a front end and a rear end. In this case, the front end portion is directed upstream, the rear end portion is directed downstream, the front end portion is larger than the rear end portion and has a cross section perpendicular to the intended moving direction, and the water inlet opening is Provided at or adjacent to the front end, the water inlet opening communicates with the impeller, which rotates about an axis parallel to the intended direction of movement and is one or two Water that has two or more blades and enters the water inlet opening is ejected radially away from the rotation axis of the impeller, and the ejected water is ejected from one or more nozzles The extruded water is pushed out to be directed along the outer surface of the streamlined body.
噴出された水が1つ又は2つ以上のノズルから押し出されるとき、好ましくは整流ノズルが、羽根車が回転する軸線に対して、噴出された水の接線成分を、好ましくは半径方向に差し向け、さらに、流線形本体の外面に沿うように差し向け、流線形本体の曲率により、軸線方向の流れの向きを流線形本体の後端部に向かうように変え、この効果は顕著である。 When the jetted water is pushed out of one or more nozzles, preferably the rectifying nozzle directs the tangential component of the jetted water, preferably radially, with respect to the axis around which the impeller rotates. Further, the effect is remarkable by directing along the outer surface of the streamlined body and changing the flow direction in the axial direction toward the rear end of the streamlined body depending on the curvature of the streamlined body.
本明細書において、用語「整流ノズル」は、整流ノズルから押し出される水を予め決められ且つよく定められた方向/流れに差し向け且つ制御するノズルとして理解すべきである。 As used herein, the term “rectifying nozzle” should be understood as a nozzle that directs and controls the water extruded from the commutating nozzle in a predetermined and well-defined direction / flow.
本発明の新しい船舶用推進ユニットの概念の背景は、単独で試験したときのポンプ技術における最新の羽根車が、90%よりも良い効率を達成する事実であり、これは、流線形本体の低い全体抗力係数と組み合わせたとき、従来技術の装置よりも非常に効率的な推進力を提供する。 The background of the new marine propulsion unit concept of the present invention is the fact that the latest impellers in pump technology when tested alone achieve an efficiency better than 90%, which is low in the streamlined body When combined with the overall drag coefficient, it provides a much more efficient driving force than prior art devices.
新しい推進システムの構成要素はそれぞれ、個別の非常に低い摩擦損失しか有さず、これを組み合わせることにより、より少ない損失を実現し、したがって、より大きい全体推進効率を達成する。 Each component of the new propulsion system has a separate and very low friction loss, which in combination achieves less loss and thus achieves greater overall propulsion efficiency.
新しい推進システムは、好ましくは、理想的に迎え角ゼロのところの回転流線形本体を有し、本明細書において、以下、システム全体を意味する「ポッド(POD)」とも称する。 The new propulsion system preferably has a rotating streamlined body, ideally at an angle of attack of zero, and is also referred to herein as a “pod (POD)”, meaning the entire system.
推進システムからの推力は、推進システムと作用し合う水に由来する。羽根車によって駆動されて推進システムを通過する水の相対的な運動量変化により、動的メカニズムは、水を加速し、ノズルにより、水が流線形本体のそばをそれに沿って流れるとき、(再び、羽根車の回転軸線に対して)接線成分の流れ方向を半径方向に変化させ、ポッドの表面の曲率により、流れ方向を軸線方向に変化させて流線形本体の後端部に向かわせる。 The thrust from the propulsion system comes from the water that interacts with the propulsion system. Due to the relative momentum change of the water driven by the impeller and passing through the propulsion system, the dynamic mechanism accelerates the water, and the nozzle causes the water to flow alongside the streamlined body (again, The flow direction of the tangential component (with respect to the rotation axis of the impeller) is changed in the radial direction, and the flow direction is changed in the axial direction according to the curvature of the surface of the pod so as to be directed toward the rear end of the streamlined body.
少なくとも本明細書において、「理想的には迎え角ゼロである流線形の回転体」は、理論上の定義に近似するように設計された対称的な本体として理解されるべきであるが、この本体を実用的な適用例に利用することを可能にするために、重要でない変更を許容する。例えば、本体は、本体を船舶に取り付けて推進力を船舶に伝達する1つ又は2つ以上の支柱/ビームを有する。 At least in this document, “ideally a streamlined rotator with zero angle of attack” should be understood as a symmetrical body designed to approximate the theoretical definition, Insignificant changes are allowed to allow the body to be used for practical applications. For example, the body has one or more struts / beams that attach the body to the vessel and transmit propulsion to the vessel.
したがって、羽根車は、ポンプとして作用し、かかるポンプは、水をポッドの前方の領域から引き込み、水を加速し、水を、1つ又は2つ以上のノズルを設けることにより制御された仕方で、ポッドの湾曲した外面に沿って噴出させる。 Thus, the impeller acts as a pump, which pumps water from the area in front of the pod, accelerates the water, and provides water in a controlled manner by providing one or more nozzles. Squirt along the curved outer surface of the pod.
羽根車が回転するとき、羽根車は負圧を生じさせ、これによって水は羽根車に吸い込まれ、水は、羽根車の回転力により加速されて羽根車の周囲に沿って噴出される。この位置において、1つ又は2つ以上の整流ノズルは、羽根車を実質的に取り囲むように配置される。整流ノズルは、噴出された水の流れの接線成分の方向を半径方向に変更し、次に、加速された水をポッド本体に沿うように差し向けるのに使用され、ポッドの表面の曲率により、流れ方向を軸線方向に且つ後方流に変化させながら、本体を反対方向に推進させる。1つだけの整流ノズルが設けられている本発明の実施形態において、このノズルは、羽根車の周囲の一部を覆ってもよいし、羽根車の全周を覆ってポッドの表面上に実質的に均等に分配される実質的に均一な水の流れを発生させてもよい。複数のノズルが設けられている場合、ノズルを個別に調整して、ポッドの表面上を流れる加速された水が、異なる層の厚さ、速度及び運動エネルギー量を有するようにしてもよく、その結果、ポッド本体に沿った水の流れの運動量の変化にばらつきがあることにより、ポッドが操縦可能になるようにしてもよい。 When the impeller rotates, the impeller generates a negative pressure, whereby water is sucked into the impeller, and water is accelerated by the rotational force of the impeller and ejected along the periphery of the impeller. In this position, one or more rectifying nozzles are arranged to substantially surround the impeller. The rectifying nozzle is used to change the direction of the tangential component of the jetted water flow to a radial direction and then direct the accelerated water along the pod body, depending on the curvature of the surface of the pod, The main body is propelled in the opposite direction while changing the flow direction in the axial direction and backward flow. In an embodiment of the invention in which only one rectifying nozzle is provided, this nozzle may cover part of the circumference of the impeller or substantially on the surface of the pod covering the entire circumference of the impeller. A substantially uniform flow of water that is evenly distributed may be generated. If multiple nozzles are provided, the nozzles may be individually adjusted so that the accelerated water flowing over the surface of the pod has different layer thicknesses, velocities and kinetic energy quantities, As a result, the variation in the momentum of the water flow along the pod body may vary so that the pod can be steered.
他の実施形態では、本体の表面の始まりにおける湾曲自体が、流れを半径方向から軸線方向に向かって変化させる均一で滑らかな曲率を有する場合、整流ノズルの外側部分を縮小する或いは除去してもよい。 In other embodiments, if the curvature itself at the beginning of the surface of the body has a uniform and smooth curvature that changes the flow from radial to axial, the outer portion of the commutation nozzle can be reduced or eliminated. Good.
また、ノズルが逆推進力を提供するように差し向けられ、それにより、ポッドの前進及びポッドが取り付けられた船舶の前進を妨げてもよい。 The nozzle may also be directed to provide reverse propulsion, thereby preventing the advancement of the pod and the vessel to which the pod is attached.
また、ノズルが接線方向流れ成分を微調整するよう差し向けられ、水が流線形本体の後方に向かう方向のノズルに差し向けられるように水の流れ方向を最適化してもよい。 Also, the water flow direction may be optimized so that the nozzle is directed to fine tune the tangential flow component and the water is directed to the nozzle in the direction toward the rear of the streamlined body.
スムーズな運航のために実質的に均一な推力をポッドから生成するために、ポッドの表面を横切る水の流れの方向の変化によって生成された推力がポッド表面全体にわたって実質的に均一となるように、ポッドを対称的な構造にするのがよい。 To generate a substantially uniform thrust from the pod for smooth operation, the thrust generated by the change in the direction of water flow across the surface of the pod will be substantially uniform across the pod surface. The pod should have a symmetrical structure.
本発明の更に別の有利な実施形態では、流線形本体の長手方向の平面における全体的な断面は、液滴形状を有し、後端部は尖端に向かってテーパする。 In yet another advantageous embodiment of the invention, the overall cross section in the longitudinal plane of the streamlined body has a droplet shape and the trailing end tapers towards the apex.
この構成は、ポッド本体を横切って流れる水が最適なエネルギー消費を有し、その結果、最大推力になるという重要な側面を、ポッドに提供する。特に、テーパする後端部を有することは、乱流を生じさせる傾向を最小にし、その場合、流れの中に蓄えられる運動エネルギーは、ポッドの表面に沿って、羽根車の回転からポッドのテーパ(後)端の推力に効率よく転換される。 This configuration provides the pod with the important aspect that water flowing across the pod body has optimal energy consumption and, as a result, maximum thrust. In particular, having a tapered trailing end minimizes the tendency to create turbulence, in which case the kinetic energy stored in the flow is reduced from the impeller rotation along the pod surface from the pod taper. (Rear) Efficiently converted to end thrust.
ポッドは、推進ユニットを船舶に取り付けるための手段も必然的に有し、かかる手段は、推力(推進力)を船舶に伝達するのに適したものである。取り付け手段は、ポッドによって生成された力を伝達することを可能にする性質のものでなければならず、それと同時に、エネルギー損失を最小にするように、流れ抵抗を最小にする取り付け手段を設計することが有利であろう。 The pod naturally also has means for attaching the propulsion unit to the ship, such means being suitable for transmitting thrust (propulsion) to the ship. The attachment means must be of a nature that allows the force generated by the pod to be transmitted and at the same time design the attachment means to minimize flow resistance so as to minimize energy loss It would be advantageous.
これらの目的のために、いくつかの実施形態では、推進ユニットを船舶に取り付けるための手段の影響を補償するために、ポッドを対称構造から逸脱させることが必要になることがある。取り付け手段(すなわち、支柱及び/またはビーム)とポッド自体を組み合わせた完全な設計が必然的に実行され、ポッドの周囲またはポッドと船舶との間の乱流の発生を最小にする。 For these purposes, in some embodiments, it may be necessary to deviate the pod from the symmetrical structure to compensate for the effects of the means for attaching the propulsion unit to the vessel. A complete design combining the attachment means (ie struts and / or beams) and the pod itself is inevitably implemented to minimize the generation of turbulence around the pod or between the pod and the vessel.
本発明の別の有利な実施形態において、水の入口開口部、羽根車及び1つ又は2つ以上のノズルは、流線形本体の表面に配置され、噴出されてノズルから出る水が流線形本体の外面に沿って(直接的に)案内される。 In another advantageous embodiment of the invention, the water inlet opening, the impeller and one or more nozzles are arranged on the surface of the streamlined body so that the water ejected from the nozzle is streamed It is guided (directly) along the outer surface of the.
流線形本体の表面に入口開口部及び羽根車を配置することにより、上流の水が羽根車に当たる前に乱されないことが達成される。それと同時に、ノズルを介して羽根車から噴出された水は、流線形本体の表面に直接差し向けられるのに対し、羽根車が比較的保護された位置に配置されている他の実施形態では、保護構造は羽根車に入るときの水の流れと羽根車を出る水の流れの両方に乱流を生じさせることがある。 By arranging the inlet opening and the impeller on the surface of the streamlined body, it is achieved that the upstream water is not disturbed before it hits the impeller. At the same time, the water spouted from the impeller through the nozzle is directed directly to the surface of the streamlined body, whereas in other embodiments where the impeller is located in a relatively protected position, The protective structure can cause turbulence in both the flow of water as it enters the impeller and the flow of water that exits the impeller.
加速された水がポッドの表面に沿うように直接的に噴出されるように羽根車が配置されていないとき、ノズルからポッドの表面までの面は、水力学的に正しいように、すなわち、層流が確保されるように設計される。 When the impeller is not arranged so that the accelerated water is jetted directly along the surface of the pod, the surface from the nozzle to the surface of the pod is hydraulically correct, i.e. the layer Designed to ensure flow.
本発明の別の有利な実施形態では、ノズルは、流線形本体の表面にある羽根車の周囲に配置された円形形状を有し、ノズルは、セクションに分離される。 In another advantageous embodiment of the invention, the nozzle has a circular shape arranged around the impeller on the surface of the streamlined body and the nozzle is separated into sections.
ノズルは、羽根車から出る水を制御して差し向けるのに使用され、例えば、加速された水を流線形本体に沿って差し向ける。ノズルを分離セクションに分割することによって、及び、各セクションの幾何学的形状を制御することができるようにすることによって、流線形本体に沿う水の流れを制御することが可能であり、ポッドの様々な部分に沿った水の推進力を制御し、ポッドが取り付けられた船舶の制御を改善する。 The nozzle is used to control and direct water exiting the impeller, for example directing accelerated water along the streamlined body. By dividing the nozzle into separate sections and allowing the geometry of each section to be controlled, it is possible to control the flow of water along the streamlined body, Control the propulsion of water along various parts and improve the control of ships with attached pods.
さらに、非常に重要な実施形態では、羽根車に配置された羽根が全て、羽根車の回転中心から半径方向距離のところに配置され、羽根車の中心領域を、羽根無し面として残し、羽根無し面は、羽根車の回転軸線に対して実質的に垂直な面を有している。羽根無し面は、移動方向を指示するように円錐形状にされていてもよいし、他の適切な輪郭を有していてもよい。 Furthermore, in a very important embodiment, all the blades arranged on the impeller are arranged at a radial distance from the center of rotation of the impeller, leaving the central area of the impeller as a bladeless surface, The surface has a surface substantially perpendicular to the rotational axis of the impeller. The vaneless surface may be conically shaped to indicate the direction of travel or may have other suitable contours.
羽根車の中心部に開放した部分を設けることにより、羽根車は、任意の渦又は乱流を引き起こさず、この場合、羽根車に入る水のエネルギー損失はなく、羽根車に電力を供給するために使用されるエネルギーと羽根車から離れる水に伝達されるエネルギーとの間のより良い比を、羽根車に提供する。従来の船舶のスクリューと比べて、スクリューがスクリューの前方の軸に通常配置される事実、及び、水が、推進エネルギーを付与するスクリューの羽根に到達する前に角運動量損失(軸に近接する損失、スクリューの羽根の先端部における損失、及び、プロペラの周りにプロペラによっ引かれる水の容積による損失)の典型的には半分が生じている事実により、スクリューのプロペラにおいてかなりのエネルギー損失がある。 By providing an open part in the center of the impeller, the impeller does not cause any vortex or turbulence, in this case there is no energy loss of water entering the impeller, to supply power to the impeller It provides the impeller with a better ratio between the energy used for and the energy transferred to the water away from the impeller. Compared to conventional ship screws, the fact that the screw is usually placed on the shaft in front of the screw, and the angular momentum loss (loss close to the shaft) before the water reaches the blades of the screw to give propulsion energy There is considerable energy loss in the screw propeller due to the fact that typically half of the loss at the tip of the blade of the screw, and the loss due to the volume of water drawn by the propeller around the propeller) .
羽根車の中心部に開放した表面を配置することによって、角運動量損失をなくし、又は、少なくとも大きく減少させる。 By placing an open surface in the center of the impeller, the angular momentum loss is eliminated or at least greatly reduced.
本発明はまた推進力を提供する方法に向けられ、かかる方法は、上述した推進ユニットを船舶の水面下部分に配置し、水を推進ユニットの入口開口部に流入させ、水が回転羽根車に配置した羽根と接触したときに水を加速させることにより、羽根車から噴出させた水を、ノズルから推進ユニットの表面に沿って噴出させ、推進ユニットの前部の加速された水が、負圧を発生させ、推進ユニットの後部に沿って加速された水が、推力を提供し、推進力を提供する。 The present invention is also directed to a method of providing propulsive force, which includes placing the propulsion unit described above in a lower water surface portion of a ship, allowing water to flow into the inlet opening of the propulsion unit, and allowing water to enter the rotating impeller. By accelerating the water when it comes into contact with the arranged vanes, the water ejected from the impeller is ejected from the nozzle along the surface of the propulsion unit, and the accelerated water at the front of the propulsion unit is The water accelerated along the rear of the propulsion unit provides thrust and provides propulsion.
推進ユニットを取り付けることによって達成される利点は、上述の利点とおなじである。 The advantages achieved by installing the propulsion unit are the same as those described above.
船舶及び推進ユニットの速度が増大しているとき、推進システムにおけるキャビテーションを損傷させるリスクが最小になるので、この実施形態は、高速推進システムとして好ましく、キャビテーションの開始は制御可能であり、より大きい出力が追加されれば、より速い船舶速度を得ることができる。 This embodiment is preferred as a high speed propulsion system, since the risk of damaging cavitation in the propulsion system is minimized when the speed of the ship and the propulsion unit is increased, the onset of cavitation is controllable and greater output If is added, a higher ship speed can be obtained.
これに関連して、羽根車に配置された羽根が半径方向に対して向きを変えたり調整したりすることが可能である本発明の別の有利な実施形態も重要である。羽根車の羽根を調整することができることによって、水の流れと羽根の間の最適な迎え角は、羽根車の速度、すなわち、回転速度、水中の船舶の速度等の任意の組合せにおいて達成することができる。 In this connection, another advantageous embodiment of the invention is also important, in which the blades arranged in the impeller can be redirected or adjusted with respect to the radial direction. By being able to adjust the impeller blades, the optimum angle of attack between the water flow and the blades should be achieved at any combination of impeller speed, i.e. rotational speed, underwater vessel speed, etc. Can do.
以下、本発明を添付の図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施形態による船舶用の推進ユニット1を示す。推進ユニット1は、流線形本体10を有し、この本体10は、前端部11と後端部12を有している。使用するに当たって、前端部11が上流に向けられ、すなわち、推進ユニットが取り付けられている船舶の移動方向に配置される。前端部11は、後端部12よりも大きい、移動方向に対して垂直な横断面を有している。 FIG. 1 shows a marine propulsion unit 1 according to an embodiment of the invention. The propulsion unit 1 has a streamlined body 10, which has a front end 11 and a rear end 12. In use, the front end 11 is directed upstream, i.e. arranged in the direction of movement of the ship to which the propulsion unit is attached. The front end portion 11 has a cross section that is larger than the rear end portion 12 and perpendicular to the moving direction.
さらに前端部11には、図2に示されるような羽根車が配置された水の入口開口部13が設けられている。羽根車は、軸線14を中心に回転し、それにより、入口開口部13を通って入ってくる水を加速させると同時に、水の流れ方向を回転軸線に対してほぼ半径方向に変える。船舶に取り付けられた船舶用推進ユニット1が水の中を移動するとき、ポッドの前における軸線14に沿う水の流速は、水の中を移動する船舶の速度と同じである。水は、羽根車の回転によって加速され、羽根車からかなり速い速度で噴出される。加速された水は、1つ又は2つ以上の整流ノズル15から押し出され、これによって、流線形本体10の外面に沿うように差し向けられる。 Further, the front end portion 11 is provided with a water inlet opening 13 in which an impeller as shown in FIG. 2 is arranged. The impeller rotates about the axis 14, thereby accelerating the water entering through the inlet opening 13 and at the same time changes the direction of water flow to a substantially radial direction with respect to the axis of rotation. When the marine propulsion unit 1 attached to the ship moves in the water, the water flow velocity along the axis 14 in front of the pod is the same as the speed of the ship moving in the water. Water is accelerated by the rotation of the impeller and ejected from the impeller at a fairly high speed. The accelerated water is forced out of one or more rectifying nozzles 15 and is thereby directed along the outer surface of the streamlined body 10.
図1に関連して示す実施形態では、図3に示すように、1つ又は2つ以上の整流ノズル15がノズル部材16内に配置される。図1及び図3に示す実施形態では、整流ノズル15が羽根車の全周にわたって配置されているが、船舶用推進ユニット1の本体10に沿う所望の水の流れに応じて、ノズルの任意の設計及び組み合わせを利用することができる。 In the embodiment shown in connection with FIG. 1, one or more rectifying nozzles 15 are disposed within the nozzle member 16 as shown in FIG. 3. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 3, the rectifying nozzle 15 is arranged over the entire circumference of the impeller, but depending on the desired flow of water along the main body 10 of the marine propulsion unit 1, any nozzle Designs and combinations can be used.
図2には、羽根車17の概要が示されている。この実施形態では、羽根車は中心19の周りで回転するように配置されたディスク18を備えており、羽根車17が矢印20で示す方向から水を受け取り、矢印21で示す方向に実質的に等しい量で噴出され、すなわち、半径方向成分と接線方向成分の組み合わせを有し、好ましくはディスク18から半径方向に且つ均等に分配される(矢印21は、2つの方向だけを示しているけれども、加速された水がディスク18の全周にわたって半径方向に噴出されることは明らかである)。羽根車の回転によって、水が加速され、羽根車から矢印21の方向に放出される水は、羽根車17に入る水20よりも高い運動エネルギーレベルを有する。 FIG. 2 shows an overview of the impeller 17. In this embodiment, the impeller includes a disk 18 arranged to rotate about a center 19, and the impeller 17 receives water from the direction indicated by arrow 20 and is substantially in the direction indicated by arrow 21. Ejected in equal amounts, i.e. having a combination of radial and tangential components, preferably distributed radially and evenly from the disk 18 (although arrow 21 shows only two directions, It is clear that accelerated water is ejected radially over the entire circumference of the disk 18). The water is accelerated by the rotation of the impeller, and the water released from the impeller in the direction of the arrow 21 has a higher kinetic energy level than the water 20 entering the impeller 17.
羽根車17は、実質的に半径方向の向きで羽根車表面に沿って所望の間隔で配置された羽根22を備えている。羽根の設計は、この実施形態では、湾曲しているけれども、真っ直ぐで平坦な羽根として設計されてもよい。典型的には、羽根は半径方向23に対して僅かに角度付けされる。また、羽根の向きは所望の推力、羽根車の回転数、船舶の速度などに応じて調整/微調整することが可能であるのがよい。したがって、水に対する羽根の迎え角(すなわち、羽根が半径方向に対してどれだけ回転しているか)は、単に羽根全体または羽根の一部の向きを回転させることにより調整することができる。 The impeller 17 includes blades 22 arranged at a desired spacing along the impeller surface in a substantially radial orientation. The wing design is curved in this embodiment, but may be designed as a straight and flat wing. Typically, the vanes are slightly angled with respect to the radial direction 23. Further, it is preferable that the direction of the blades can be adjusted / finely adjusted according to a desired thrust, the rotational speed of the impeller, the speed of the ship, and the like. Thus, the angle of attack of the blade relative to the water (ie, how much the blade is rotating relative to the radial direction) can be adjusted by simply rotating the orientation of the entire blade or a portion of the blade.
この実施形態では、羽根車は、羽根を有し、羽根は、中央領域を実質的に開放したままにして邪魔しないように、ディスク18の中心19から一定の距離をあけて配置される。このことは、入口開口部13を通って入る水が、図1に示すようにディスク18に係合するまで実質的に撹乱されずに、羽根の回転により、水を矢印21の方向に推進させる点で重要である。図4を参照しながら以下で説明するように、従来技術では、例えばディスクの中心から直接動き始めることによって、羽根が即座に水と係合すると、旋回損失が発生する。これは、羽根車の有効性を減少させる一定量の入口渦流を発生させるであろう。 In this embodiment, the impeller has vanes that are arranged at a distance from the center 19 of the disk 18 so as to leave the central region substantially open and unobstructed. This means that the water entering through the inlet opening 13 is not substantially disturbed until it engages the disk 18 as shown in FIG. Important in terms. As described below with reference to FIG. 4, in the prior art, swirl loss occurs when the blade immediately engages water, for example by starting to move directly from the center of the disk. This will generate a certain amount of inlet vortex that reduces the effectiveness of the impeller.
図4には回転させられる軸31に取り付けられ、それにより船舶に伝統的な方法で推進力を発生させる従来のスクリュー30のコンピュータシミュレーションが示されている。スクリューの回転により、水の乱流を示す多くの旋回が生じる。軸線方向の中心部では、軸31の回転と軸を中心に回転するプロペラ30のブレードの最も内側の部分によって引き起こされる旋回流32の生成に起因して、ハブ旋回損失が発生し、軸が推進力に寄与しなくなる。 FIG. 4 shows a computer simulation of a conventional screw 30 which is attached to a rotating shaft 31 and thereby generates propulsion in a traditional manner on a ship. The rotation of the screw causes a number of swirls that indicate turbulent water flow. At the axial center, a hub swirl loss occurs due to the rotation of the shaft 31 and the generation of the swirl flow 32 caused by the innermost part of the blade of the propeller 30 that rotates about the shaft, and the shaft is propelled. Does not contribute to power.
さらに、プロペラ30の単一のブレード33は遠位端を有していて、ここでは、先端損失34が生じてしまい、これも推進力に寄与することなく、単に水を撹乱するだけであり、各プロペラのブレード33の遠位端に乱流34を発生させる。これらの乱流34は、プロペラ装置の推進力に寄与しない。 Furthermore, the single blade 33 of the propeller 30 has a distal end, where a tip loss 34 occurs, which also only disturbs the water without contributing to propulsion, Turbulence 34 is generated at the distal end of each propeller blade 33. These turbulent flows 34 do not contribute to the propulsion force of the propeller device.
加えて、水はスクリューによって加速されるとき、主として軸線方向に最も加速されるが、一部は角度方向に加速されて渦損失が増加するため、これにより上記の損失に貢献してしまうこととなり、その損失の総量はトルクによって水に与えられる運動エネルギーの30%にまで達する。 In addition, when water is accelerated by the screw, it is most accelerated mainly in the axial direction, but some is accelerated in the angular direction and vortex loss increases, thereby contributing to the above loss. The total amount of loss reaches up to 30% of the kinetic energy imparted to water by torque.
船舶設計者は、プロペラの伝統的な解決策として最適なエネルギー利用と単位エネルギーあたりの最高推進力が達成されるように、ブレードの数、ブレードの面積及び上記の損失との間で最適な関係性に必然的に行き着くであろう。しかし、本発明においては、渦損失32も乱流損失34も発生しない。 Ship designers have found that the optimal relationship between the number of blades, the area of the blades and the above losses so that optimum energy utilization and maximum propulsion per unit energy is achieved as a traditional propeller solution. You will inevitably end up with sex. However, in the present invention, neither vortex loss 32 nor turbulent loss 34 occurs.
図5に示すように、推進ユニット1が所定の速度で水の中を移動するとき、水は羽根車と整流ノズルに流入してそれらから流出し、推進ユニット本体10に沿って流れる。 As shown in FIG. 5, when the propulsion unit 1 moves through the water at a predetermined speed, the water flows into and out of the impeller and the rectifying nozzle and flows along the propulsion unit body 10.
羽根車17の回転に起因して(図2を参照)、水は推進ユニット1の先端部11に吸い込まれる。この吸引は流線41によって示される。羽根車の回転と羽根22のポンプ作用によって(図2を参照)、水は、流入方向41と実質的に垂直に噴出され、それにより、水は、整流ノズル15の中を通って推進ユニット1の表面10に沿って噴出される。コアンダ効果により、加速された水42は湾曲面を辿る。コアンダ効果は、長く認識されている現象であり、空気や水などの流体ジェットが、湾曲した経路に沿って湾曲面にくっついてそれを辿ったままになり、直線状には流れず、流体のジェットが湾曲面から離れない。流体と流体の流れが沿う表面との間の摩擦、この場合は、水と推進ユニット1の外面10との間の摩擦を無視すると、流体粒子に作用する唯一の力は、圧力によるものであり、したがって、加速された水の層42の内側と外側との間の圧力差を生じさせ、外側の圧力が内側の圧力よりも大きくなる。 Due to the rotation of the impeller 17 (see FIG. 2), water is sucked into the tip 11 of the propulsion unit 1. This suction is indicated by streamline 41. Due to the rotation of the impeller and the pumping action of the blades 22 (see FIG. 2), water is ejected substantially perpendicular to the inflow direction 41, so that the water passes through the rectifying nozzle 15 and the propulsion unit 1. Is ejected along the surface 10 of Due to the Coanda effect, the accelerated water 42 follows a curved surface. The Coanda effect is a long-recognized phenomenon, in which a fluid jet such as air or water sticks to and follows a curved surface along a curved path, does not flow linearly, The jet does not leave the curved surface. Neglecting the friction between the fluid and the surface along which the fluid flows, in this case the friction between the water and the outer surface 10 of the propulsion unit 1, the only force acting on the fluid particles is due to pressure. Thus, creating a pressure difference between the inside and outside of the accelerated water layer 42, the outside pressure being greater than the inside pressure.
流れ42を横切る圧力勾配が存在し、その結果、流れを推進ユニットの表面に沿うように保つ負圧が、表面10の近傍に存在する。 There is a pressure gradient across the flow 42 so that there is a negative pressure in the vicinity of the surface 10 that keeps the flow along the surface of the propulsion unit.
したがって、加速された水42が船舶用推進ユニット1の表面10に沿って流れ、加圧された水が船舶用推進ユニット1の後端部(テーパ端部)12から離れるとき、推力が生じる。このように、推力が発生しており、羽根車が水を加速し、すなわち、運動エネルギーを水に与え、船舶用推進ユニット1の表面10に沿う水の流れ42の運動量変化を引起し、船舶用推進ユニット1とそれに取り付けられた船舶に推進力を提供する推力43を引起す。 Therefore, thrust is generated when the accelerated water 42 flows along the surface 10 of the marine propulsion unit 1 and the pressurized water leaves the rear end (tapered end) 12 of the marine propulsion unit 1. Thus, thrust is generated and the impeller accelerates the water, that is, imparts kinetic energy to the water, causing a change in the momentum of the water flow 42 along the surface 10 of the marine propulsion unit 1, The thrust 43 which provides propulsive force to the propulsion unit 1 for use and the ship attached thereto is caused.
船舶、したがって、水の中の船舶用推進ユニットの速度に応じて、また、推進ユニット1の曲率、水の密度(温度、塩分含有量に応じて変化する)に応じて、整流ノズル開口部15は適宜設計され、又は、推進ユニットの表面10にわたる加圧された水42の流れパターンを変化させるために調整可能である。運動エネルギーが付与される水42の流れの厚さ又はその速度を変え、その結果として生じる推力の変化により、推進ユニット1を異なる方向に推進させることが可能であり、このように、推進ユニット及び船舶を所望の方向に操舵することが可能である。 Depending on the speed of the marine vessel and therefore the marine propulsion unit in the water, and depending on the curvature of the propulsion unit 1 and the density of the water (which varies with temperature and salinity content), the rectifying nozzle opening 15 Are designed as appropriate or can be adjusted to change the flow pattern of the pressurized water 42 across the surface 10 of the propulsion unit. It is possible to propel the propulsion unit 1 in different directions by changing the thickness or speed of the flow of water 42 to which kinetic energy is applied, and the resulting change in thrust, thus It is possible to steer the ship in a desired direction.
図面を参照して説明した実施形態おいて、羽根車は、船舶用推進ユニット1の実質的に表面10に配置されているけれども、他の実施形態では、羽根車及び選択的には整流ノズルは、入口開口部13が羽根車と連通するように推進ユニット1の前方のキャビティ内の表面よりも下に配置され、それにより、羽根車が水を船舶用推進ユニット1の外面10と滑らかに連通している表面に沿って整流ノズルから水を噴出させる。船舶、したがって、船舶用推進ユニット1のスピードに応じて、水面下の羽根車と整流ノズルと接触している水の周囲圧力の上昇は、局所圧力に対する相対的な流速に由来する推進システム全体の推力発生部におけるキャビテーションの開始を遅らせる。船舶と推進ユニットの速度が増大するにつれて、推進システムのキャビテーションにダメージを与える危険が少なくなるので、この実施形態は、高速推進システムに好ましく、キャビテーションの開始が制御可能であり、より大きい出力を追加すれば、より速い船舶速度を得ることができる。 In the embodiment described with reference to the drawings, the impeller is arranged substantially on the surface 10 of the marine propulsion unit 1, but in other embodiments the impeller and optionally the rectifying nozzle are The inlet opening 13 is arranged below the surface in the cavity in front of the propulsion unit 1 so as to communicate with the impeller, whereby the impeller communicates water smoothly with the outer surface 10 of the marine propulsion unit 1. Water is ejected from the rectifying nozzle along the surface. Depending on the speed of the marine vessel and therefore the marine propulsion unit 1, the increase in the ambient pressure of the water in contact with the impeller and the rectifying nozzle under the surface of the water Delays the start of cavitation in the thrust generator. This embodiment is preferred for high speed propulsion systems, the start of cavitation is controllable and adds greater power as the speed of the ship and propulsion unit increases and the risk of damage to the cavitation of the propulsion system decreases. By doing so, a higher vessel speed can be obtained.
図6において、表面10は、ディンプル(小凹部)48を有し、上述したように、推進ユニットが水の中を移動している間、境界層を推進ユニットの外側に形成し、境界層が成長することを防止し、それにより、流れ42からの圧力勾配が維持され、負圧がさらに顕著になる。ディンプルの代わりに、小さな刻み目(すなわち、推進ユニットの本体内への出っ張り)、出っ張り(推進ユニットの表面(平面)の外への出っ張り)、又は、「サメの皮」(特に高速船のための周知の湿式表面仕上げ)が、境界層が成長することを抑制する同じ目的を達成するために設けられてもよい。 In FIG. 6, the surface 10 has dimples (small recesses) 48, and as described above, the boundary layer is formed outside the propulsion unit while the propulsion unit is moving in the water. Prevents growth, thereby maintaining a pressure gradient from stream 42 and making negative pressure more pronounced. Instead of dimples, a small notch (ie a bulge into the body of the propulsion unit), a bulge (a bulge out of the surface (plane) of the propulsion unit), or “shark skin” (especially for high speed ships) A well-known wet surface finish) may be provided to achieve the same purpose of inhibiting the boundary layer from growing.
ポッドの移動方向に延びる駆動軸44が、図6にも示されている。この駆動軸は、従来のプロペラ軸に類似し、本発明によるポッドを取り付けるとき、船舶の船体内部の従来の船舶用モータの取り付け及び配置を変える必要がない。 A drive shaft 44 extending in the moving direction of the pod is also shown in FIG. This drive shaft is similar to a conventional propeller shaft, and when the pod according to the present invention is mounted, it is not necessary to change the mounting and arrangement of the conventional marine motor inside the hull of the marine vessel.
ポッドは、さらに、取り付けビームまたは支柱46の形状の取り付け手段を有する。この取り付けビーム46は、ポッドを船舶に取り付け、ポッドを支持し、推力の少なくとも一部分をポッドから船舶に伝達するのに使用される。 The pod further has attachment means in the form of attachment beams or struts 46. This attachment beam 46 is used to attach the pod to the vessel, support the pod, and transfer at least a portion of the thrust from the pod to the vessel.
本発明を旧来の船舶のプロペラ及びウォータージェットと比較できるようにするために、十分に確立され認められている計算モデルが、「Principles of Naval Architecture,Second revision Vol.II,1988)」、特に、その132〜135頁、225〜227頁に開示され、これを本明細書に援用する。計算の際、僅かな仮定および適合が必要である。理論によれば、以下の表にまとめたように、本発明を用いると、従来の方法よりも著しく良好なエネルギー使用を得る。計算の目的のために、本発明を、マースクラインに引き渡されたような最新シリーズのトリプルEコンテナキャリアに使用されるプロペラと比較する。これらのプロペラは、これまでに設計され使用されているプロペラの中で、最も(エネルギー)効率が大きいと考えられる。 In order to be able to compare the present invention with conventional ship propellers and water jets, a well-established and accepted computational model is “Principles of Naval Architecture, Second revision Vol. II, 1988”, in particular, 132-135, 225-227, which is incorporated herein by reference. A few assumptions and fits are needed in the calculation. According to theory, as summarized in the following table, using the present invention results in significantly better energy usage than conventional methods. For computational purposes, the present invention is compared with the propeller used in the latest series of Triple E container carriers such as handed over to Maerskline. These propellers are considered to have the highest (energy) efficiency among the propellers designed and used so far.
「HBI」は本発明を意味する。 “HBI” means the present invention.
上記の表は、本発明とマースクライン(Maersk lines)のトリプルEシリーズコンテナキャリアに使用されるプロペラとの間の比較計算を示している。各縦列は、異なる入口面積を表している。 The table above shows a comparative calculation between the present invention and the propellers used in Maersk lines triple E series container carriers. Each column represents a different entrance area.
最後から2番目の行の結果は、31.42平方メートルの入口面積により、比較的少ないエネルギー消費で比較的大きい推力を得ることを示している。入口面積が大きければ大きいほど、結果は良好になる。 The results from the last row show that the entrance area of 31.42 square meters gives a relatively large thrust with relatively little energy consumption. The larger the inlet area, the better the results.
Claims (15)
流線形本体を有し、前記流線形本体は、前端部と後端部を有し、使用の際、前記前端部は、上流に向き、前記後端部は、下流に向き、前記前端部は、前記後端部よりも大きく且つ意図した移動方向に対して垂直である横断面を有し、
水用入口開口部が、前記前端部にまたは前記前端部に隣接して設けられ、前記水用入口開口部は、羽根車と連通し、前記羽根車は、意図した移動方向に対して平行な軸線の周りを回転し、1つ又は2つ以上の羽根を有し、
前記水用入口開口部に入る水は、前記羽根車の回転軸線から半径方向に離れる向きに噴出され、噴出された水は、前記1つ又は2つ以上のノズルから、噴出された水を前記流線形本体の外面に沿って差し向けるように押し出される、推進ユニット。 A propulsion unit for a ship,
A streamlined body, the streamlined body has a front end and a rear end; in use, the front end is directed upstream, the rear end is directed downstream, and the front end is Having a cross-section that is larger than the rear end and perpendicular to the intended direction of travel,
A water inlet opening is provided at or adjacent to the front end, the water inlet opening communicates with an impeller, and the impeller is parallel to the intended direction of movement. Rotating around an axis, having one or more vanes,
The water that enters the water inlet opening is ejected in a direction away from the rotation axis of the impeller in a radial direction, and the ejected water is the water ejected from the one or more nozzles. A propulsion unit that is pushed out along the outer surface of the streamlined body.
請求項1〜13のいずれか1項に記載の推進ユニットを船舶の水面下部分に配置し、
水を前記推進ユニットの水用入口開口部に流入させ、
水が前記羽根車に配置した羽根と接触したときに水を加速させ、
前記羽根車から噴出させた水を、前記ノズルから前記推進ユニットの表面に沿って噴出させ、
前記推進ユニットの前端部で加速された水により、負圧を発生させ、
前記推進ユニットの後部に沿う水により、推力となる推進力を提供する、方法。 A method of providing propulsion,
The propulsion unit according to any one of claims 1 to 13 is arranged in a lower surface portion of a ship,
Let water flow into the water inlet opening of the propulsion unit,
Accelerating the water when it comes into contact with the blades arranged on the impeller,
The water ejected from the impeller is ejected from the nozzle along the surface of the propulsion unit,
The water accelerated at the front end of the propulsion unit generates a negative pressure,
Providing a propulsive thrust by water along the rear of the propulsion unit.
請求項1〜13のいずれか1項に記載の推進ユニットを、前記ポッドの前端の水面下部分又は水面下空洞に配置し、
船舶の速度、したがって、前記推進ユニットの速度、水面下の前記羽根車及び前記整流ノズルと接触する水の周囲圧力を上昇させ、
局所圧力に関連する相対的な流速に起因する全体推進システムの推力発生部におけるキャビテーションが開始することを遅延させる、方法。 A method of providing propulsion,
The propulsion unit according to any one of claims 1 to 13 is disposed in a lower surface portion or a lower surface cavity of a front end of the pod,
Increase the speed of the ship, and therefore the speed of the propulsion unit, the ambient pressure of the water in contact with the impeller and the rectifying nozzle below the surface of the water,
A method of delaying the onset of cavitation in the thrust generation section of the overall propulsion system due to relative flow rates associated with local pressure.
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