JP4979871B2 - 船舶用推進システム - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、船舶用推進システムに関し、その推進システムは、１つのシャフト上に取付けられる１枚または数枚のインペラから成り、そのインペラは、船舶を前方に駆動する力を生成する。駆動シャフトの手段によりインペラハウジング内で回転自在であるインペラには、噴流を後方へ生成するプロペラ型のブレードが設けられる。
【０００２】
（背景技術）
インペラから成る水噴流手段を通して、軍用および民生用の船舶、好ましくは高速航行船舶の推進が、一般に知られている。ブレードが設けられる回転インペラを囲むハウジングは、船体の後部へ固定して取付けられる。インペラは、典型的には、適切な手段によりステムへ向けて延びる鋼製シャフトにより駆動され、ついでその手段が、船体内の１台または数台のエンジンにより順に駆動される。航行方向に幾分下方へ傾斜するチューブ状水入口が、多量の水を供給するためにインペラハウジングの前部に設けられる。かくして駆動シャフトは、上述のチューブ状水入口を通して回転する。船舶は、インペラハウジング（または複数のインペラハウジング）の下流側にある舵取り装置の手段により制御され、その装置は、噴流を種々の方向に噴出させることができる。その噴流は、減速効果を生じるように前方にも噴出させることができる。
【０００３】
インペラの駆動シャフトが水入口を通して延びるので、インペラへの水の流入は、ある程度妨害され、すなわちインペラのブレード上に不均一に分布される荷重が生じる。上述の不均一な荷重とは、曲げモーメントが、インペラの装着箇所へ向けてインペラの内側へ伝達されることを意味する。インペラとその装着箇所に影響するこれらの変動する力のために、非常に厳しい要求条件が、軸受と封止部の手段へ課せられる。シャフトへ固定して取付けられるインペラを配置することにより上述の問題を解決し、かつ一定の角度の偏りを許容する軸受手段を配置することが、ＳＢ４２４８４５から知られている。しかしながら上述の解決策は、特にそれが（大きい角度の偏りに対して危険でないように）曲げ剛性駆動シャフトを有する構造を必要とするので、比較的厳しく、かくしてシャフトは非常に重くなる。そのような構造における駆動シャフトの重量だけで水噴流装置の全重量（ガイドベーン付きステータ部を備えるポンプユニット、スラストとジャーナル軸受手段、インペラとインペラハウジング、および舵取りと逆転ギヤの重量を含む）の約１０％を占めることが多くある。
【０００４】
他の既知の解決策は、ＳＥ４５７１６５およびＳＥ５０４６０４において示され、そこにおいて、角度の偏りに対処できない軸受手段が使用され、また駆動シャフトとインペラとの間に屈曲自在のカップリングが代わりに使用され、その屈曲自在のカップリングは、角度の偏りに対処するようになっている。また最後に上述した解決策は、特にそのようなカップリングが重量の付加を意味するので、重い構造をもたらす。さらにそれは、そのカップリングが流れに関して問題の箇所に設けられ、それにより、最適流れ条件を得るのが難しくなるので、欠点を含む。さらにそのカップリングは、動力限定を意味する。動力伝達を限定する小形部材は、そのような用途に望ましくないことが分る。というのは、特にそのような用途の場合、しばしば３乃至３０ＭＷの区間で多くの動力を伝達できることが望ましいことが多いからである。代わりにＳＥ５０４６０４に従う構造は、屈曲自在のカップリングの使用を示し、かつ１つの実施例を指向し、その実施例により、軸受ユニットを後方へ取外すことができる。これは、インペラからステータシェルへ力を伝達するガイドベーンが、非常に限定された伸張を有しなければならないことを意味する。長い間、出力密度を増加するために、重量を減少することが望まれてきた（出力密度とは、ガイドベーン付きステータ部を備えるポンプユニット、スラストとジャーナル軸受手段、インペラとインペラハウジング、および舵取りと逆転ギヤの重量を含むポンプユニットの重量でなる水噴流ユニットの重量で割った最大動力出力を意味する）。既知の構造では、１ｍを超える入口径を有する水噴流の場合、１ｋＷ／ｋｇを超える出力密度を達成するのは多分難しく、これは好ましくなく、かつ重大な限定である。技術に有能な者に明らかなように、同一種類の構造の場合の出力密度は、サイズが増加するにつれて減少する。
【０００５】
（発明の開示）
本発明の目的は、上述の複雑な問題の最適な解決策を見出すことにある。上述の目的は、水噴流を実現する、インペラ、ステータシェルとインペラハウジング、インペラを駆動するシャフト、およびステータシェル内のシャフト用軸受手段から成る、船舶の推進用駆動システムにより達成され、そこにおいて、上述の軸受手段は、軸方向荷重を担持する少なくとも１つの滑り軸受ユニットを備え、およびその滑り軸受は好ましくは、水潤滑される。
【０００６】
上述の構造のお陰で、重量削減と高い出力密度達成を実現する費用効果的な解決策が得られる。さらにこの構造は、極限状態中に、特定の点で運転安全性に対する厳しい要求に合致できる。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、
−上述のシャフトは、滑り軸受との相互作用を意図する少なくとも軸方向面を示すフランジ手段を有するシャフト首部を備える。
−フランジ手段には、前部と後部の軸方向滑り軸受と、それぞれ相互作用する２つの正反対の面が設けられる。
−前部と後部の軸方向滑り軸受があり、上述の前部滑り軸受は、上述の後部滑り軸受よりもかなり大きい表面を有し、そこにおいて、好ましくは前部軸受の表面は、後部軸受の表面よりも少なくとも１．５倍大きい。
−上述の軸受手段は、半径方向滑り軸受を備え、その滑り軸受は好ましくは、少なくとも１つの軸方向滑り軸受の後部に設けられる。
−上述の滑り軸受手段へ潤滑剤を供給する導管システムにおいて、好ましくは上述の導管の少なくとも１つが、ガイドベーンに設けられる。
【０００８】
本発明の他の好ましい態様によれば、シャフトは、軽量のシャフトから構成され、その軽量シャフトは、従来の鋼製シャフトよりもかなり低い曲げ剛性を有する。
【０００９】
曲げに関して比較的弱い軽量シャフトの使用により、軸受手段を使用する条件が生成され、その軸受手段は、曲げモーメントに関して剛性であり、かつ軸方向荷重に対処し、同時に、インペラと駆動シャフトの端の部分との間に非屈曲自在のカップリング（例えば、ネジにより固定装着される）を有する。同時に、比較的弱い駆動シャフトは、重量削減を達成する目的に合致する。さらにそれは、この点で材料の選択が最適化されるので、シャフトに関してコスト節減を可能にする。かくしてそのシャフトを比較的細長く製造でき、またインペラに対して直接の好ましい装着のために、できるだけ効果的な流路を生成する最適条件が得られ、ついでこれは、インペラの軸受手段に影響する曲げ力の減少を意味することができる。
【００１０】
そのような駆動システムの好ましい実施例によれば、駆動シャフトは、少なくとも主に、複合材料から構成される。とりわけ、複合シャフトは、非常に軽い重量を得ることができる大きい利点を有する。従来の鋼製シャフトと比較して最大７０％までの重量削減が可能である。さらに、複合シャフトが特に曲げ自在であるという利点が得られ、それは、軸受手段に関して１つの利点である。低い曲げ剛性も望ましく、また複合シャフトは、従来の均一な鋼製シャフトに比べて、約８０％の曲げ剛性を減少できる。
【００１１】
別の可能性のある態様によれば、
−上述の軽量シャフトは、金属、好ましくはチタンおよび／または中空鋼製シャフトから製造される。
−駆動力は、少なくとも１つの非屈曲自在のカップリングにより、ステータシェルへ伝達される。
−上述のインペラハウジングの入口径Ｄは、０．５乃至２ｍであり、また出力密度は、少なくとも０．５＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇである。
−シャフトからインペラへ動力を伝達する屈曲自在のカップリングは無い。
【００１２】
本発明のお陰で、従来のシステムに比べて、水噴流駆動船舶用の、かなり軽量の駆動システムを構築でき、同時にそのシステムにより、運転において高い信頼性が実現される。
【００１３】
本発明を、添付図面を参照して、より詳細に説明する。
【００１４】
図１は、垂直断面での本発明に従うインペラ装置を示す。ステータシェル１が、ボルト２などにより船体の後部へ固定して取付けられる。前方が円錐部分の形態であるインペラハウジング３が、ネジ４などによりステータ部分１へ取付けられる。インペラハウジング３の上述の前方部分の入口（一定の径Ｄを有する）が、それ自体知られている前方へ延びるチューブ状水入口（図示されず）と整合される。シャフト首部１１が、回転するインペラベース１３を経て第１のカップリング１１Ｂの手段により、回転と曲げの状態で、シャフト１２へ固定して取付けられる。
【００１５】
先端が後方へ向けられる円錐形状のハウジング５が、ステータシェル１内で非回転ガイドベーン１Ａを通して固定装着される。上述のハウジング５内に軸受シート６があり、そのシートは、ハウジングのほぼ中間でネジ７により取付けられ、また駆動シャフト１２へのシャフト首部用の軸受手段９、１６を支えるようになっている。水が、ハウジング５／ベース１３の内部から排出できるように、前部インペラベース１３の比較的中心近く（そこにおいては圧力が比較的低い）に配置される一組の排水孔１３Ａがある。
【００１６】
回転インペラ１３、１４は、第２の固定装着される（非回転で曲げ剛性の）カップリング１２Ａを経て、好適にはネジ接続でシャフト首部１１の周りに固定して取付けられる。かくして上述のインペラ１３、１４は、シャフト１２と共に回転し、またインペラブレード１４は、上述のベース１３上に設けられる。上述のインペラブレード１４は、後方へ向けられかつ矢印で示される水噴流を生成する。上述の後方へ向けられる水噴流により、インペラ１３、１４を経て、シャフト首部１１内に前方へ向けられるはね返り力を生じ、その力は、軸方向ころ軸受９を経て、船体へ固定接続されるインペラハウジングにより、軸受シート６、ハウジング５へ、かつステータ部分１へ伝達され、かくして船体が、前方へ向けられる推進力を得る。
【００１７】
シャフト１２は、好適には複合材料から製造される軽量シャフトであり、その端部に金属（例えば鋼）から成る装着手段１２Ｅを有する。そのようなシャフトとしてのコア１２Ｂは、炭素繊維から好適には製造されるが、そのシャフトは、種々の硬質物体を含有することがある水流内に部分的に位置するので、炭素繊維は、そのようなシャフトにとり必ずしも好適な表面材料ではない。この問題は、シャフトの周りにガラス繊維から成る保護スリーブ１２Ｃを配置することにより解決されている。侵食／摩損物体に抗する効果的な特性をシャフトへ付与するために、シャフトには、外面層１２Ｄとしてポリウレタンが設けられることも好ましい。この種の複合材料のシャフトは、軽いばかりではなく、従来のシャフトと同一の剛性特性に欠け、とりわけ、曲げに関しての剛性がかなり低く、それにより、軸受システムへ厳しい要求条件が課せられる。したがってシャフト首部１１の後部に、球形軸方向軸受９が設けられている。係止リング１７が、このようにして軸受９と１６をクランプ止めするので、剛性軸受が得られ、その剛性軸受は、非剛性シャフトと流れとにより生じる曲げ力を担持でき、一方、インペラブレード１４により生じる軸方向推進力が、後部軸方向軸受９を通して得られる。好適にはそれらの軸受は、最小荷重が軸受上に生じるようにクランプ止めされ、これは通常、最大０．０５ｍｍ、多くは０〜０．０２ｍｍの軸方向遊びが得られ、それにより剛性軸受が実現されることを意味する。一部の用途の場合、それらの軸受は好適には押圧されるので、その軸方向遊びは常に０ｍｍである。図面において球形軸方向軸受９が示されているが、他の種類の軸受、例えば滑り軸受を使用することも可能である。
【００１８】
軸受９と１６のローラ本体の周りの空間には通常オイルが充填され、そのオイルは、ガイドベーン１Ａと軸受シート６を通して導管（図示されない）を経て通常供給される。したがって上述の空間は、シャフト首部と軸受シートを取り囲む水に対して封止しなければならない。
【００１９】
本発明の手段を使用して、先ず始めに従来のインペラシャフトを複合シャフトに置き換えることにより重量を徹底的に削減できるようになっており、これは、シャフトの端部において固定された接続部と組合せた軸受手段９、１６のために実施できる。
【００２０】
本発明に従う軸受とシャフトの配置のために可能である他の重量削減ステップは、インペラハウジングにおける入口３も複合材料から製造され、その入口は、耐衝撃性と耐侵食性の表面を得るために、ポリウレタン３Ａで被覆される。
【００２１】
図２において、本発明に従う上述の原理が太線で示される。しかしながら、軸受ユニットにとり好ましい原理が示される。最大の相違は、ころ軸受が使用されないで滑り軸受が使用されることである。一方において、細長い半径軸受８が使用され、その軸受は、シャフト首部１１の後端部（および／またはその前端部）において配置され、かつハウジング５内に固定して取付けられる半径方向／軸方向サポート６Ａ、６Ｂにより支持される。さらに２つの軸方向軸受／スラスト軸受（２５、２６）が示され、それらの軸受は、シャフト首部１１上に設けられるフランジ１１Ｃを通して軸方向力だけに対処するようになっている。図１に従う後部縁部１１Ａおよび図２に従うフランジ１１Ｃは、軸方向に向けられるサポート面１１’を示し、その面は、はね返り力を、インペラブレードから軸受ユニット２６を通して船体まで伝達できる。図２において、軸方向軸受２５、２６が上述のフランジ１１Ｃの両側に配置されるのが示され、それらの軸方向軸受は、半径方向サポート６Ｂと６Ｃにそれぞれ設けられる。この実施例によれば、潤滑液が、周囲の水により直接供給される。
【００２２】
図３において、図２に示される一般的な原理に対応して、配置の好ましい実施例が示される。図２に示されるものと同様に、この実施例は、軸方向力を軸方向滑り軸受２６の１つを通して伝達するようになっているフランジ１１Ｃを利用する。後方へ向けられる軸方向力を伝達する他の滑り軸受２５は、球形の種類の滑り軸受の一部分を形成し、これも半径方向力を伝達するために設けられる。図から分るように、船舶の航行中の大部分の時間、軸受が前方への推進力を受けるようになっているので、軸受を最適化するために、前方へ向けられる軸方向軸受２６は、後方へ向けられる軸方向軸受２５よりも基本的に大きい表面を有する。さらに、前部軸受２６用の軸受ハウジング６Ｄは、ネジ６Ｅによりステータハウジング５へ固定して取付けられるのが示される。既に述べたように、後方へ位置決めされる軸受２５、８は、球形に形成されることにより軸方向と半径方向の力を伝達するようになっている。軸受２５、８は、スタブシャフト１１の球形形状部分１１Ｄと相互作用する。軸受２５、８のハウジング６’は、円筒形部分６’Ａおよびフランジ部分６’Ｂを備える。フランジ部分６’Ｂは、その主な目的として、後方へ向けられる力を伝達しなければならないし、ついでその力は、後方へ向けられる肩部１１”へ伝達され、ついでその肩部は、ケーシング５Ａの対向する肩部と相互作用し、そのケーシングはハウジング５へ固定装着される。軸受２５、８の他の部分を通しての半径方向力も、上述のケーシング５Ａを経てステータシェル中に伝達される。図３は、任意選択である（オイル潤滑手段と対照的に）、すなわち省略できる封止手段３５も示す。
【００２３】
本発明の図２および３に従う好ましい実施例のために、望ましくは高い出力密度を実現する軸受が得られる。軸受手段と動力伝達の原理のお陰で、高い出力密度が得られ、これは、多くの特徴に関して、すなわち、運転の経済性と操縦性に関しての実質的な利点を意味する。有能な者にとり明らかであるように、同一の種類の構造についての出力密度は、サイズが増加するにつれて減少する。したがって、大きい水噴流の場合に高い出力密度を達成することは一層難しい。新規の構造が、少なくとも０．５＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇである出力密度を実現できることが判明しており、そこにおいてＤは、インペラハウジングの入口径であり、０．５〜２ｍの間である。Ｄが０．５から１．３ｍである区間において、出力密度は、さらに良くなり、例えば０．７＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇとなる。本発明に従う全ての特徴が組合せられるならば、約２ｋＷ／ｋｇの出力密度を、１メートルの入口径Ｄを有する水噴流の場合に得ることができる。２ｍを超える入口径Ｄを有する非常に大きい水噴流の場合にも、本発明に従う構造は、出力密度を向上するが、当面、この範囲における水噴流が非常に稀であるので、この範囲内の出力密度に関して比較する場合に該当する数値は存在しないし、そこにおいて公称最大設計出力は通常１５ＭＷよりもかなり大きい。
【００２４】
さらに図３において、滑り軸受８、２５、２６の水潤滑ユニットへ水を供給する他の解決策が示される。第１の供給導管３０を、少なくとも１つのガイドベーン１Ａを通して設けることができるのが示される。液体供給の上述の第１の部分は、半径方向にほぼ設けられる。上述の導管３０の端部において、軸方向に延びる導管３１が設けられて、液体をリング流路３２へ供給する。リング流路３２により、前部軸方向軸受には、軸受内の適切な開口部２６Ａを通して外周から液体が供給される。対応する仕方で、後部軸受８、２５には、開口部８Ａにより内面中にほぼ半径方向に延びる第２の流路３０’を通して液体が供給される。前部軸受２６の摩耗が生じるとき、僅な調整ができるように、後部軸受２５、８のハウジング６’を摺動自在な仕方で配置するのが有利なことがある。さらに、フランジ１１Ｃの前方へ向けられる面１１’を若干湾曲して配置するのが適切なときがある。シャフト１１には、前部軸受２６の内周と連通する半径方向流路３３と連通するために、中央内腔１１Ｅが設けられることも示される。船舶の周りにある水から好ましくは構成される液体が、適切な圧力で、導管３０中にかつそれを通して（通常は適切なろ過後に）ポンプで送液される。さらに、丁度図１に示されるように、シャフト首部は、第１のネジ継手１１Ｂにより回転するインペラベース１３に固定して装着され、一方、シャフト１２は、第２のネジ継手１２Ａによりインペラベース１３に固定装着されることが示される。
【００２５】
本発明は、上に示される実施例に限定されないが、特許請求範囲内で種々の仕方に変えることができる。例えば、一部の用途において、滑り軸受と従来の軸受との組合せを使用するのが望ましいことがあり、そこにおいて適切な封止手段を設ける必要があることが分る。ハウジング５／ベース１３の内部からの水の排出はまた、（もしくは単に）非回転ハウジング５の後部において排出されることがあるのも分る。滑り軸受は、種々の状態における種々の要求に応じて、かつ水供給流路の位置決めと形状にも応じて、種々の形態を有することができるのが明らかである。さらに、炭素繊維とガラス繊維にそれぞれ対応する特性を有する他の材料を、複合材料のシャフトに使用できること、およびそのような材料の種々の組合せを、特定の要件に応じて使用できることが分る。さらに、ほぼ同一の要件に合致できる、ポリウレタン以外の侵食保護被覆を使用できることが分る。駆動シャフトの特性は、とりわけ、インペラの前部と水入口における種々のシャフト軸受の取付け位置に関して、多くの種々の方法で定められた条件に適応できることも分り、その取付け位置は、シャフトの固有振動数に影響することを除き、軸受手段へ伝達される力にも影響し、そこにおいてシャフト軸受は、半径方向に一定の偏りがあると、比較的小さい角度の偏りを生じるので、インペラハウジングの軸受手段の前からできるだけ離れて置かれるのが好ましい。一部の用途の滑り軸受手段の原理も、シャフトとインペラとの間の屈曲自在のカップリングと組合せて好都合に使用できること、またしたがって従来のシャフトと共に使用されることも分る。
【００２６】
最後に、当業者は、カップリング継手が着脱自在である必要がないことが分る。シャフト１２とシャフト首部１１は、一体であることを考えることができる。さらに、インペラを、シャフトおよび／またはシャフト首部上に焼きばめすることができ、および他の同様な変更形態は、当業者の一般的知識の範囲に入る。さらに、潤滑液体をシャフトを経て供給することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、好ましい実施例に従うインペラとインペラハウジングの垂直で軸方向の断面である。
【図２】 図２は、本発明に従うインペラハウジングを有するインペラの別の実施例の垂直で軸方向の断面である。
【図３】 図３は、図２に示されるものを参照して、ある程度まで変更された実施例を示す。

Claims (8)

1. インペラ（１３、１４）、ステータシェル（１）、水噴流を実現するインペラハウジング（３）、インペラ（１３）を推進させるシャフト（１１、１２）、およびステータシェル（１）内のシャフト（１１、１２）用軸受手段から成る、船舶用推進システムにおいて、該インペラハウジングの入口径Ｄが、少なくとも０．５ｍである船舶用推進システムであって、該軸受手段が、軸方向荷重を担持するように意図される少なくとも１つの滑り軸受ユニット（２５、２６）を備え、前記滑り軸受ユニットが、水潤滑されること、かつ該シャフト（１１、１２）が、滑り軸受（２６）との相互作用を意図する少なくとも軸方向面（１１’）を示すフランジ手段（１１Ｃ）を有するシャフト首部（１１）を備え、
   フランジ手段（１１Ｃ）には、前部（２６）と後部（２５）の軸方向滑り軸受と、それぞれ相互作用する２つの反対側にある面（１１’、１１”）が設けられ、
   前記軸受手段が、半径方向滑り軸受（８）を備え、その滑り軸受が、少なくとも１つの軸方向滑り軸受ユニット（２５、２６）の後部に設けられることを特徴とする船舶用推進システム。
2. 前部（２６）と後部（２５）の軸方向滑り軸受があること、および前記前部滑り軸受（２６）が、前記後部滑り軸受（２５）よりもかなり大きい表面を有し、前部軸受（２６）の表面が、後部軸受（２５）の表面よりも少なくとも１．５倍大きいことを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
3. 前記滑り軸受手段へ潤滑剤を供給する導管システム（３０、３１、３２、３３、３４）において、該導管の少なくとも１つ（３０）が、ガイドベーン（１Ａ）に設けられることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
4. シャフト（１１、１２）が、軽量のシャフトから構成されることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
5. 前記軽量なシャフト（１２）が、複合材料から構成されることを特徴とする請求項４に記載の推進システム。
6. 駆動力が、少なくとも１つの非屈曲自在のカップリング（１１Ｂ、１２Ａ）を経て、ステータシェル（１）へ伝達され、それにより、その力を伝達するために屈曲自在のカップリングが使用されないことを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
7. 前記インペラハウジング（３）の入口径Ｄが、０．５乃至２ｍの間であり、出力密度が、少なくとも０．５＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇであることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
8. シャフト（１１、１２）からインペラ（１３）へ動力を伝達する屈曲自在のカップリングは無いことを特徴とする請求項６に記載の推進システム。

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