JPH11505485A - ウォータジェットの正逆方向変更用コントロール部材を備えた水上艇のウォータジェット推進装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ポンプ（１２）と、流入水中およびポンプによって発生させたウォータジェット中の乱れを少なくするためにポンプの上流側および下流側に配置したステータ（１５，１６）と、を有するウォータジェット推進装置であり、各ステータ（１５，１６）と関連づけて同軸状に配置されたノズル（２０，２１）が、相互に独立して軸方向に変位自在に支持されている。そして、水上艇の運動方向を変えるために時計方向または反時計方向へポンプを回転させる切替えギヤーユニット（３６ないし４０）が備えられ、ウォータジェット推進装置がポンプロータの回転軸線に対してほぼ垂直に±９０°まで（垂直シャフト３０を介して）首振りできるように水上艇に支持されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ウォータジェットの正逆方向変更用コントロール部材を備えた水上艇のウォー タジェット推進装置 本発明は、推進用ウォータジェット発生用ポンプ，ステータ，ノズルを有する と共に、ウォータジェットの正逆方向変更用コントロール部材を備えた水上艇の ウォータジェット推進装置に関するものである。 水上艇のウォータジェット推進装置には幾つかの公知例がある。そのような推 進装置においては、水がポンプにより吸い込まれて加速され、ステータで乱れを 少なくしたうえでノズルによって所望の方向へ噴出される。 例えば米国特許第４，９９２，０６５号には、ステータの下流側に配置され垂 直軸まわりで回動するように支持されたノズルを備えるウォータジェット推進装 置が記載されている。そのノズルの流出口は、逆進のためにウォータジェットの 方向が反対となるまで、水平に延びた軸まわりに回動するフラップで変更される ようになっている。 この種の構造はコントロール部材があるので極めて高価であり、また、加速さ れたウォータジェットをシールするのが大層難しい。特に変向角が大きくなると 噴出口を実質的に遮蔽してしまうことになり、その変向による損失が大きいと逆 推力は低下し、潮流の激しいところや狭い港では運動性が著しく損なわれる。そ の場合には、それ相応の舵の効きを考慮に入れておかなければならないだけでな く、前進から後進に切り替えたときに進行方向が逆になってしまったり、コント ロール部材の複雑化や操船ミスを招きやすくなる。 英国特許第１，１９０，７３５号に見られるように、流出口開口 の下流側に配置されそれぞれが垂直軸まわりで回動する二枚のフラップを有した 簡単な構造では、停止するときや低速時にウォータジェット推進装置による十分 な舵の効きが得られなくなる。 流れ損失を防ぐために、同心状に支持した球面でコントロール機能を発揮させ るノズル構造が知られている。これは高価であって、複雑な制御やシール装置が 要求されることになる。 上記した理由により、如何なる種類の水上艇であれ、前進と後進の両方をコン トロールできるようにするために、ウォータジェット推進装置を改良することが 実質的に要求される。 よく知られているシュラウドプロペラ、すなわち、水上艇のスターンポストの ステムを動かすことにより舵をとることができるいわゆるバウスラスタ（「ヨッ ト」１９９３年１７号の２８頁ないし３０頁を参照）から派生して、本発明の目 的は、コントロール部材が通常のものよりも簡素に組み立てられるようにウォー タジェット推進装置を改良することであり、それによって、この種のウォータジ ェット推進装置を船外装備する水上艇を従前に可能であった以上に効率よくコン トロールできるようにすることである。 上記の目的は、コントロール部材が最大開度位置と最小開度位置との間で軸方 向に変位できるように支持された少なくとも一つのノズルと、ポンプのロータ回 転を時計方向および反時計方向のいずれにも可能としたギヤーユニットと、ノズ ルとポンプとを支持するハウジングがポンプの回転軸線に対して垂直な方向に少 なくとも±９０°首振りできるようにした軸承ピボットとを備えることによって 達成される。 本発明の最初の実施例に従えば、鏡に映したように正逆の一組をなすように設 けられたノズルが上流側および下流側でポンプとそれぞれに関連づけて配置され 、その二つのノズルは相互に独立して軸方向で変位可能となるように支持されて おり、例えば一方のノズル が軸方向で離れた位置になると他方のノズルは最小開度位置の方向へ変位し、ま た、その逆の動きもできるようになっている。 本発明の他の形態によれば、ポンプのロータは、スライディングカップリング により動力を分岐させるユニバーサルギヤーとして組み立てられたディストリビ ュータギヤーユニットによって、反時計方向のみならず時計方向への回転も実現 されるようになっており、そのディストリビュータギヤーユニットのドライブシ ャフトは、ロータの回転軸線にほぼ垂直に延びたウォータジェット推進装置の軸 承ピボットを形成している。 本発明の他の形態によれば、軸方向に変位可能な各ノズルは円錐状外面を形成 し、その傾斜角は対面するステータのブレードの自由端縁の傾斜角と一致するも のであり、それぞれのステータを支持するポンプハウジングは、ノズルとハウジ ング壁との間に環状通路を形成するため各ステータブレードの自由端縁の領域で 半径方向外方への拡がりを持っている。 本発明における好適な実施例によれば、ステータに配置されたディストリビュ ータギヤーとロータとの間での動力の伝達は、ドイツ公開特許公報第４，２４１ ，７２４号に記載されているように、インターナルギヤーホイールや環状ギヤー によって達成することができる。 本発明の第二の実施例によれば、軸方向へ変位可能な単一のノズルがポンプと 関連づけて配置され、そのポンプおよびステータの軸線は角度βで交差しており 、この配置によっても、前進から後進への逆方向転換は、ポンプのロータ回転方 向を変更するときと同じ要領で実現される。ウォータジェット推進装置の流入口 は、環状通路を有したノズルが流入口として作用しているとき流出口ノズルとし ての機能を発揮するようになる。 本発明に係るウォータジェット推進装置の構造には、幾つかの利 点がある。 よく知られたバウスラスタと同様に、本発明に係るウォータジェット推進装置 は、ポンプのロータ回転方向に応じて前進運動のみならず後進にも使用すること ができるのでアクティブラダーとして作用でき、そのロータのパドルブレードは 、バウスラスタを開示した例えば英国特許第１，１４５，２３７号に記載されて いるように、水上艇の前進動効率が極めて高くなるようにデザインすることがで きる。 ガイド機構またはコントロール装置として機能するステータに供給される水量 は、下流側に設けたノズルによって流入口側で調節される。しかるに、流出側も しくは加圧側のノズルすなわち上流側のノズルは、水上艇を巡行速度となるまで 増速させるとき、付加的ノズルとして作用する環状通路の効果が次第に消滅する ようにロータの方向へ変位される。そして、加圧側の単一のノズルがスラストノ ズルとして機能するようになる。 本発明の第二の実施例において軸方向変位可能な単一のノズルが存在するので 、逆進するときステータによって噴流から乱れが取り除かれた後は、流入口がス ラストノズルとして作用する。この場合も同様に、ウォータジェット推進装置が アクティブラダーとして機能するようになる利点がある。 本発明に係るウォータジェット推進装置の構造は全てのパワーユニットにふさ わしいものとなり、軸方向に変位可能なノズルとそれに関連づけて配置されたス テータとは対称的な構造をなしており、廉価な製造および簡素な組み立てやメン テナンスが実現される。軸方向変位可能なノズルと協働するステータにより水量 を調節できるので、騒音の少ない運転が機動性のある運動時のみならず単なる前 後進時にも燃料消費量を可及的に抑えて簡単に実現される。静推力，加速，低速 ，巡行速度に要求される水量は、極めて簡単な要領で調 節することができる。このようなことから、本発明に係るウォータジェット推進 装置は、アクティブラダーやスターンスラストラダーを備える主推進装置または 補助推進装置として使用することができる。 各加圧側での環状通路を付加的ノズルとして使用するので、水上艇を発進させ るとき通路断面を大水量に見合ったように開口させることができる。一方、付加 的ノズルの流入量を減少させるとすなわちノズルを変位させると、巡行速度とな るまで増速させるときの環状通路の流れを次第に減少させることができ、このよ うにして、専ら作動範囲に応じて最適化されるノズルを通して有効な流れが得ら れるようになる。 ウォータジェット装置全体が水上艇の底部に首振り自在に支持され、その首振 り動作は歯付きベルトまたは垂直シャフトによって実現することができるので、 ロータの回転方向を変更するときや同時にノズルを前進運動から後進運動へ変位 させるとき、操舵操作を連続して完遂することができる。ロータに供給される水 量は、流入口側のノズルすなわち流入口側のステータと関連づけて配置されコン トロール装置として作用する下流側のノズルの変位によって調節される。一方、 すでに述べたように、加圧側のノズルを変位させることによって、所望する速度 が速やかに得られるように供給水量を低速時と同様に発進時にも最適化して、加 圧水を環状通路に供給するようコントロールすることができる。 ノズルとそれに関連づけて配置されたステータとからなる構造の本発明によれ ば、加圧側のノズルは円錐形状のステータブレードに適切にガイドされ、最大作 動位置で同心状に配置され、それゆえ、流れに都合の良いように保持できる利点 がある。推進装置を簡素で対称的な配置構造としたことにより、前進や後進さら には横方向の走行時にも独立して一様なスラストが得られるようになる。 本発明によるウォータジェット推進装置は大型船，大型ヨットやセールボート にも使用することができる。セールボートでは、帆走時に推進装置を引き込むこ とができるようにボートのハルに格納自在となるよう構成しておかなければなら ない。もちろん水面下のハルを帆走のために滑らかにしておく必要のあることは 言うまでもなく、その場合、推進装置を覆うボートの底部を可動構造にしておく 必要がある。 本発明に係るウォータジェット推進装置の構造による利点は、セミ軸流ポンプ によって高速ハイドロプレインや種々の速度を出すレーシングヨットで使用する ことができるということである。本発明に従うウォータジェット推進装置のノズ ル配置によれば、調節式ノズルと同様の要領で作動させることができるというこ とが特に重要であり、とりわけ、ノズルの軸方向調整により如何なるフラップ機 構も備えなくてよいことは特筆すべき点である。それゆえ、水が部分的に流入す る環状通路を、発進時の迅速な加速のためやハイドロプレインに入るまでの間や 最高速度となっているときの水からの浮揚力を得るためのそれぞれの水量または 流量を実現する付加的なノズルとして機能させることができる。 本発明に係るウォータジェット推進装置の構造によるいま一つの利点は、乱れ のない水が環状通路を介して最も短い経路をたどってロータへ供給されることで あり、これによって、バウスラストラダーとして使用するとき、左舷から右舷へ 切り替えるための切替え時間をできるだけ短くすることができるようになる。そ れゆえ、無推力時から最初の全水量を得るのに遅れを伴うことなく有効な推進ジ ェットを直ちに発生させ、その後に、最大スラストまで加速することができるよ うになる。 吸引側と同様に加圧側で作用するノズルとコントロール装置とを対称的な配置 構造としたので、動力伝達部をコンパクトにした二つ の方法で支持できる簡単なデザインとすることができる。ステータに挿入した筒 状体上で動く可動部材を取り付けて機能できるようにした後にハウジングを形成 するハウジング部を接続しなければならないが、その組立構造は著しく簡素とな る。全部品がシンプルで丈夫なものに設計することができ、オートメーション生 産やそれらの部品の互換性をとることも容易になる。 以下に、本発明を図中に詳細にもしくは概略的に示した二つの実施例を参照し て説明する。 図１は、本発明に係る最初の実施例における形態であって、ウォータジェット 推進装置が前進作動位置にある場合の断面図である。 図２は、図１のウォータジェット推進装置における部分断面を含んだ前面図で ある。 図３は、本発明に係るウォータジェット推進装置の第二の実施例であって、軸 方向変位可能に支持された単一のノズルを備える場合の部分断面を含む側面図で ある。 図１ないし図３中に符号１０で示されたウォータジェット推進装置は、ハブ１ ３によって回転自在に支持されたロータ１４を有するポンプ１２をハウジング１ １の内部に備えている。ステータ１５，１６はロータの上流側および下流側にそ れぞれ配置され、そのロータの捩れに対応するように捻られた曲面のステータブ レード１８が、特に図２に示されているようにハウジング１１とハブ１３との間 に強固に一体化されている。 図１および図２に示した実施例のウォータジェット推進装置は、円錐形の外面 をしたノズル２０，２１をも備え、それらのノズルは、図２を参照して、ハウジ ング１１とノズル２０，２１との間で対をなして配置された油圧シリンダ２３， ２４によって、最小開度位置から最大開度位置へ軸方向に変位可能なようにハウ ジング１１に支持されている。 ノズル２０，２１の円錐形の外面の傾斜角はαであるが、それぞれは図１に示 すように、ステータ１５，１６のステータブレード１８の自由端縁２７，２８の 外端における傾斜角α’と一致するように選定される。図１の右側においては、 ノズル２０が最小開度位置で表されており、ノズルの内面の半分がコントロール 装置に支持され、同心状に位置して流れが有効なものとなるように保持されてい る。図１の左側のノズル２１は最大開度位置にあって、ステータがノズルから完 全に離れた状態にある。この位置は図２にも表されている。 ハウジング１１は、特に図２および図３に示すように、ロータ１４の側方領域 で半径方向外方へ拡げられているので、環状通路２５，２６がこの領域すなわち ハウジング１１の外壁とそれぞれのノズル２０，２１の外面との間で付随的に形 成される。作動状態においては、この環状通路が加圧側では静止状態から加速す るための付加的ノズルとして、吸引側ではウォータジェット推進装置の流入口開 度を変化させるように機能することになる。 特に図２に示すように、ステータ内で支持されたいわゆる環状ギヤー３０，３ １がロータ１４を駆動するようになっているが、これらの環状ギヤーは、ユニバ ーサルギヤーとして組み立てられたディストリビュータギヤーユニット３６の中 間ギヤー３３，３４を介して交互に回転される。そのために、スライディングカ ップリング３８が、図示しない水上艇の図外の原動機に接続したドライブシャフ ト４０を介して駆動される垂直シャフトドライブ３９からの動力を、ディストリ ビュータギヤーユニットの左の分岐部または右の分岐部へ交互に切り替えるよう に設けられている。スライディングカップリング３８の切替え位置によって、ロ ータ１４は環状ギヤー３０または３１を介して時計方向または反時計方向の回転 となるように駆動される。なお、ロータ１４のブレードは水上艇の前進航行時の 効 率が最も高くなるようにデザインされる。 上記したウォータジェット推進装置は、ウォータジェット推進装置の軸承ピボ ットをなす垂直シャフト３９のまわりで両向き矢印４１によって表した方向へそ れ自体が±９０°まで首振りできるように、図示しない水上艇に支持されている 。 図３に示す他の実施例であるウォータジェット推進装置１０’は、同様にハブ １３に対して回転自在なロータ１４を有するポンプを備えている。ハウジング１ １に保持された二つのステータ１５，１６は、同様に、ロータの上流側および下 流側に配置され、ロータの捩れに対応するように捻られた曲面のステータブレー ド１８は、ハウジング１１とハブ１３との間に強固に一体化されている。 図１および図２の実施例とは違って、この例では、軸方向変位可能なように支 持した単一のノズル２０が示されている。このノズルは図３の上半部分で最小開 度位置をとっており、環状通路２５が機能している図３の下半部分では最大開度 位置をとっていることが示されている。この場合、ノズルの円錐形外面の傾斜角 αは、図１にあるように、ステータブレードの自由端縁２７の外端における傾斜 角α’と一致するように選定される。流入口５３はハウジング１１の長円形をし たハウジング部材５２の下流側に形成されている。また、ロータ１４はステータ に支えられた環状ギヤー３０，３１によって駆動され、図１のところですでに述 べたようにユニバーサルギヤーとして組み立てられたディストリビュータギヤー ユニット３６の中間ギヤーを介して交互に回転されるようになっている。さらに は、スライディングカップリング３８が、簡略化して描かれた水上艇５０の図示 しない原動機に接続したドライブシャフト４０を介して駆動される垂直シャフト ドライブ３９からの動力を、ディストリビュータギヤーユニットの左の分岐部ま たは右の分岐部へ交互に切り替えるように設けられている。最後に、ウォータジ ェット推進装 置の全体は、ウォータジェット推進装置の軸承ピボットをなす垂直シャフト３９ まわりで±９０°まで首振りできるようになっている。 図１および図２による実施例とは違ってポンプ１２の軸線５１と下流側のステ ータの軸線５２とは角度βをなして傾斜し、同軸状には配置されていない。なお 、水面線は図３中に符号５４で示されている。 上記したウォータジェット推進装置の作動を以下に説明する。 図１に示したウォータジェット推進装置の作動位置においては、最大開度位置 となっているノズル２１は環状通路と共に流入口を形成する一方、最小開度位置 となっているノズル２０は、ステータ１６によって乱れが少なくされてロータ１ ４で加速されたウォータジェットの流出口を形成している。この作動位置すなわ ち図２の状態にあっては、環状通路２５がハウジング１１の壁とノズル２１の外 面との間に形成される。そのノズルの切替え位置においては、ウォータジェット 推進装置が最も大きい流出口開度をとる。その二つのノズルは対をなして配置さ れた油圧シリンダ２３，２４により互いに独立して調節されるようになっている ので、流入口側で流入する水量と流出口側から流出する水量とは所望する駆動状 態となるように調整される。そのような調整装置はそれ自体すでに知られたもの であって本発明の構成をなすところでないので、記述の簡素化のためにここでは その詳細な説明を省略する。ところで、関連づけて配置されたステータと共に加 圧側にあるノズルが前進用流出口側ノズルとして機能するように、また、関連づ けて配置されたステータと共に流入口側もしくは吸引側のコントロール装置とし て機能するノズルが流入口として作用するように、ノズル２０，２１が油圧シリ ンダによって動かされるが、ロータの回転方向が逆転されたときその作用が逆に 現れ、それぞれの供給水量は流入口側となるノズルの軸方向変位によって調節さ れることになる。 このようにして前進から後進への切替えは、前記したノズルの独立した変位と その間にポンプのロータ回転方向も同時に変更されることによって達成され、そ れによって、 ａ）ノズルとして作用していたすなわち推力発生用であったノズルは、付加的な 環状外面と共に流入口となり、 ｂ）流入口として作用していたノズルは環状通路として形成された付加的ノズル と共に新しい推力方向に作用する推力発生用ノズルとなる。 ポンプロータの上流側および下流側に配置されたステータは、その都度、ウォ ータジェット推進装置の推力方向に応じたコントロール装置として、また逆に、 ステータとしても機能する。ノズルとして動作しているとき、加圧側でノズルを 変位させることによって変化する環状通路は、所望航行速度に要求される水量に 見合った大きさの断面となるように変化させるべく制御される。 図３の実施例においても同様であり、例えば油圧シリンダによって同じ要領で 全速力前進状態に対応させるとき、ノズル２０は最大開度位置から最小開度位置 へ軸方向に変位される。この目的のために、環状通路２５は図３の上半部分に示 すように閉止した状態とされる。ロータの回転方向が変更されたときは、開口し た環状通路２５を伴ったノズル２０は流入口として使用され、その流入口５３が 逆進のためのステータ１５によって流出口ノズルとして使用される。このように 、ステータとノズルの機能は前述した図１および図２に示した実施例とは逆にな る。 小さなボート例えばいわゆるプレジャー艇では、ノズル２０，２１を固定形式 で配置することも、前述した環状通路２５，２６内に支持される図示しないスラ ストシフトスライダと関連づけて前後変位可能なように配置することもできる利 点がある。このスラストシフトスライダは鏡に映したように正逆の一組をなして 配置された二 つの筒状体から形成されるが、この筒状体はノズルを外部から覆うようになって おり、ロッドを介して相互に強固に接続されると共に、ノズルの円錐状外面に一 致してそれぞれ前記した傾斜角αおよびα’の円錐状内面を有するものとしてお けばよい。 そのようなスラストシフトスライダーがノズルに代わって変位すると、ポンプ のロータ回転方向が同時に変更されたとき最初に記載した実施例で述べたような 要領で例えば前進から後進への運動に切り替えることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジング内に配置されロータを有するポンプを備え、推進用ウォータジ ェットを発生させるために、コントロール装置が流入口側でポンプと関連づけて 配置される一方、ステータとノズルとは流出口側でポンプと関連づけて配置され 、ウォータジェットの方向を変更するためのコントロール部材を備えた水上艇の ウォータジェット推進装置において、 コントロール部材は最大開度位置と最小開度位置の間で軸方向に変位可能であ る少なくとも一つのノズル（２０，２１）と、ポンプ（１２）のロータ（１４） を時計方向および反時計方向へ回転させるギヤーユニット（３６ないし４０）と 、ノズル（２０，２１）とポンプ（１２）を支持するハウジング（１１）にポン プ（１２）の回転軸線に対して垂直に少なくとも±９０°の首振りを可能にする 軸承ピボット（３９）とを有することを特徴とするウォータジェット推進装置。 ２．ノズル（２０，２１）は鏡に映したように正逆の一組をなすような形態に よって上流側および下流側でポンプのロータ１４と同軸的にそれぞれ配置され、 一方のノズル（２１）が最大開度位置をとり他方のノズル（２０）が最小開度位 置をとる方向へ変位可能であり、また、その逆も可能となるようにして、両ノズ ルが（油圧シリンダ（２３，２４）により）相互に独立して軸方向へ変位可能と なるように支持されていることを特徴とする請求項１に記載されたウォータジェ ット推進装置。 ３．ポンプ（１２）のロータ（１４）は、ディストリビュータギヤーユニット （３６）によって時計方向および反時計方向への回転 となるように駆動され、該ディストリビュータギヤーユニットはユニバーサルギ ヤーとして組み立てられ、それによる動力分岐がスライディングカップリング（ ３８）によって実現され、ディストリビュータギヤーユニット（３６）のドライ ブシャフト（３９）は、ロータ（１４）の回転軸線に対してほぼ直角に延びてウ ォータジェット推進装置の首振り軸をなしていることを特徴とする請求項１また は請求項２に記載されたウォータジェット推進装置。 ４．軸方向に変位可能なノズル（２０，２１）の各々は円錐形状の外面を有し 、その傾斜角（α）はそれに対面する一つまたは二つのステータ（１５，１６） の自由端縁（２７）の傾斜角（α’）に一致し、そして、それぞれのステータを 支持しているハウジング（１１）は、ノズルとハウジング壁との間に環状通路（ ２５，２６）を形成させるべく、ステータ（１５，１６）のブレード（１８）の 自由端縁（２７）の領域で半径方向外方へ拡がっていることを特徴とする請求項 １ないし請求項３のいずれかに記載されたウォータジェット推進装置。 ５．ディストリビュータギヤーユニット（３６）とロータ（１４）との間の動 力伝達は、ステータ（１５，１６）に関連づけて配置された環状ギヤー（３０） によって実現されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載 されたウォータジェット推進装置。 ６．単一の軸方向変位可能なノズル（２０）は上流側のポンプのロータ（１４ ）と関連づけて配置され、該ロータ（１４）の軸線（５１，５２）は角度（β） をなしており、その配置によってノズル（２０）がコントロール可能な流入口と して機能している間は、ポ ンプ（１２）のロータ（１４）の回転方向を変更するとき水を受ける流入口（５ ３）がウォータジェット推進装置の流出口として使用することができるようにな っていることを特徴とする請求項１に記載のウォータジェット推進装置。 ７．コントロール部材は最大開度位置と最小開度位置との間で変位可能なよう に支持されたスラストシフトスライダーを備え、該スラストシフトスライダーは ロッド連結によって互いに接続された筒状体を有し、また、それと関連づけて配 置されたノズルの円錐形状の外面に一致する円錐状形状の内面を有し、これらの ノズルは固定して支持されていることを特徴とする請求項１に記載のウォータジ ェット推進装置。 ８．ウォータジェット推進装置が水上艇の主推進装置として使用されているこ とを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載されたウォータジェッ ト推進装置。 ９．ウォータジェット推進装置が水上艇の補助推進装置として使用されている ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載されたウォータジェ ット推進装置。