KR20160021080A - 특히 부양식 운송수단 추진용 액체 추진 장치 - Google Patents

Abstract

프로펠러는 최고의 유선화된 방식으로 이의 회전 축선 둘레로 나선형 방식으로 연장하는 다수의 블레이드 표면들 또는 작은 날개들을 갖는다. 상기 작은 날개들은 날카로운 형상으로 외측으로 증가하는 거리로 점차적으로 돌출하며, 각각 프로펠러 상에서 후방으로 둘러싸는 용적 및 각도로 증가하는 후방으로 볼록한 채널을 형성한다. 프로펠러의 전방에서, 날개들이 물 내로 캐비테이션 커트 없이 그리고 순응적으로 기울어지고 대각선 방향으로 각도진 에지들을 가져서 물이 채널 내에서 매끄럽게 유동하는 것이 유발하도록 날개들이 형성된다. 프로펠러의 중간에서, 날개 에지들이 후방으로 연장하여 채널 내에 포획된 물이 원심력 손실 없이 후방으로 지향된다. 프로펠러의 후방 부분에서, 채널들은 용적이 좁아지고 감소하여 물을 오목부로부터 방출한다.

Description

특히 부양식 운송수단 추진용 액체 추진 장치 {APPARATUS FOR PROPELLING FLUID, ESPECIALLY FOR PROPULSION OF A FLOATING VEHICLE}

본 출원은 그 전체내용이 인용에 의해 본 발명에 포함되는 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 13/844,071 호의 연속 출원이다.

본 발명은 유체 추진 분야, 더 구체적으로는 물 또는 다른 유체들을 추진시키는 장치들, 또는 그와 같은 장치들에 의해 추진되는 부양식 운송수단들에 관한 것이다.

다양한 펌프들 및 프로펠러 디자인들을 포함하는, 물과 같은 유체들을 이동시키기 위한 다양한 장치들이 공지되어 있다. 유체 추진 분야에서, 물을 통해서 선박 또는 잠수함과 같은 해양 운송수단을 이동시키는데 모터-구동식 프로펠러들이 종종 사용된다. 이들 프로펠러들은 통상적으로, 항공기 프로펠러들로서 사용되는 것들과 유사한 비틀린 에어포일 형상으로 구성되며 작동시, 종종 수중으로 단지 부분적으로 잠수된다.

비틀린 에어포일 형상을 갖는 프로펠러의 예가 미국 특허 제 4,767,278 호에 설명되어 있다. 이러한 형태의 비틀린 에어포일 형상과 관련된 하나의 문제점은 프로펠러가 회전될 때 유체가 회전 축선으로부터 측면으로 멀어지게 추진된다는 점이다. 운동 에너지의 이러한 원심력 손실은 운송수단을 전방으로 추진하는 역할을 하지 못하는데, 이는 유체가 어느 정도로 후방으로 압박되지 않고 회전 축선으로부터 주로 반경방향으로 멀어지게 압박되기 때문이다. 그러므로, 이러한 형태의 프로펠러들은 효율적이지 못하고 프로펠러를 구동하는데 사용되는 에너지와 자원들의 낭비를 초래한다.

비틀린 에어포일 형상과 관련된 다른 문제점은 상이한 속도들로 회전될 때 프로펠러의 길이 전반의 다양한 지점들에서 종종 발생하는 공동화(cavitation)이다. 공동화는 액체의 압력이 그의 증기압 미만으로 떨어지는 영역들에서의 증기 기포들의 형성으로부터 생겨나며 다량의 소음, 프로펠러에 대한 손상, 및 진동뿐만 아니라 효율 손실을 유발할 수 있다.

일반적으로, 다양한 형태들의 종래 기술의 프로펠러들은 백 년 동안에 걸쳐서 동일한 기본 형상 및 디자인으로 사용되어 왔으며 이들 디자인들은 심각한 문제들, 예를 들어 특정 속도들의 상이한 지점들에서의 공동화, 그의 날개들의 결과적인 부식 및 진동들, 유체의 원심력 손실, 항력 또는 다른 요인들로 인한 총체적 비효율성, 및 선박의 속도를 제한하는 구성들에 의해 여전히 영향을 받는다.

대안의 디자인 접근법으로서, 물과 접촉하는 더 큰 표면을 제공하는 다양한 스크류 프로펠러들이 제안되었다. 예를 들어, 호프만에게 허여된 미국 특허 제 941,923 호는 스크류 형상의 프로펠러를 갖는 보트를 개시한다. 일반적으로, 이들 스크류 프로펠러들은 표면적 항력으로부터 애로를 겪을 뿐만 아니라, 물에 부여되는 운동 에너지를 낭비하는 측면 원심 유체 손실 및 커다란 소용돌이 또는 회오리들에 대한 동일한 문제점으로부터 애로를 겪는다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 갖지 않는 프로펠러를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 프로펠러 몸체로부터의 유체에 대한 원심 또는 측면 손실을 최소화함으로써 프로펠러의 효율을 최대화하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 프로펠러의 표면들 상의 공동화를 방지하는 것이다.

본 발명의 프로펠러의 또 다른 목적은 항력을 감소시키고 유체를 주로 후방 방향으로 효율적으로 추진시키는 더욱 유선형으로 디자인된 프로펠러를 제공하는 것이다.

본 발명의 양태에 따라서, 프로펠러는 상기 수중의 부양 몸체를 이동의 전방 방향으로 추진시키기 위해서 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있고 수중에 실질적으로 완전히 잠수되도록 부양 몸체에 지지된다. 프로펠러는 회전 축선을 중심으로 한 회전을 위해 부양 몸체 상에 지지되는 복수의 작은 날개(winglet)들 또는 블레이드를 포함한다. 각각의 작은 날개들은 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형 경로로 연장하며 일반적으로 후방으로 향하는 제 1 표면 및 일반적으로 전방으로 향하는 제 2 표면을 가진다. 각각의 작은 날개의 제 1 표면 및 작은 날개들의 각각의 다음에 인접한 작은 날개의 제 2 표면은 이들 사이에 회전 축선의 주위에 일반적으로 나선형으로 연장하는 유체 통로를 형성한다. 가변 용적을 갖는 유체 통로 공간은 작은 날개의 반경 방향 내측으로의 공간으로서 정의된다. 작은 날개의 전방 부분에서, 유체 통로 공간의 용적은 후방으로 연속적으로 증가하며, 작은 날개의 후방 부분에서 유체 통로 공간의 용적은 후방으로 연속적으로 감소한다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 프로펠러는 부양 몸체를 상기 수중으로 추진시키기 위해서 길이방향 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있고 수중에 실질적으로 완전히 잠수되도록 부양 몸체에 지지된다. 프로펠러는 부양 몸체에 회전가능하게 지지되는 샤프트를 포함한다. 샤프트는 전방으로의 전방 단부 및 후방으로의 후방 단부를 가지며, 샤프트는 길이방향 축선을 중심으로 회전하도록 구동된다. 3 개의 프로펠러 구조물들은 샤프트에 지지되고 샤프트를 중심으로 일반적으로 나선형 경로로 연장하며 서로에 대해 회전가능하게 엇갈리게 배치된다. 각각의 프로펠러 구조물들은 반경방향 내측 단부 부분으로부터 외측 에지 부분으로 유체 접촉 표면을 따라 측정한 표면 폭을 갖는 유체 접촉 표면을 가진다. 유체 접촉 표면은 전방 결합 부분, 중간 유체 운반 부분, 및 후방 배출 부분을 가진다. 유체 접촉 표면의 표면 폭은 결합 부분으로부터 중간 유체 운반 부분으로 증가하며 중간 유체 운반 부분으로부터 배출 부분으로 감소한다. 중간 유체 운반 부분 내의 유체 접촉 표면은 오목하며 나선형 유체 유동 용적을 반경방향 내측으로 둘러싸도록 내측으로 그리고 외측으로 배치되며, 유체 접촉 면적은 길이방향 축선에 수직한 평면에서의 그의 횡단면이 적어도 유체 접촉 표면의 반경방향 외측 연장 거리만큼 큰 거리로 곡선으로 후방으로 연장하는 그러한 형상이다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 프로펠러는 이동의 후방 방향으로 상기 부양 몸체를 추진하도록 수중의 부양 몸체에 지지된다. 프로펠러는 길이방향으로 연장하는 회전 축선을 중심으로 함께 회전하도록 서로에 대해 고정되게 지지되는 복수의 작은 날개들을 포함한다. 각각의 상기 작은 날개들은 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형으로 연장하는 작은 날개 몸체 부분을 포함하며 일반적으로 전방으로 배치되는 전방 표면 및 일반적으로 후방으로 배치되는 후방 표면을 가진다. 전방 및 후방 표면들은 상기 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형으로 또한 연장하는 작은 날개 에지와 예각으로 만난다. 후방 표면은 작은 날개 몸체 부분의 후방으로 일반적으로 후방을 향하는 채널을 형성하도록 작은 날개의 길이방향 길이의 적어도 길이방향 부분 전반에 걸쳐 오목한 형상이므로, 후방으로 오목한 후방 표면은 채널의 최전방 부분에 최전방 채널 표면 부분을 가진다. 길이방향 부분은 전방 흡입 부분, 그의 후방의 보유 부분, 및 보유 부분의 후방의 추진 부분을 포함한다. 흡입 부분에서, 작은 날개 에지는 프로펠러가 회전할 때 작은 날개 에지가 전방 및 후방 표면들 전반에 걸쳐 작은 날개 에지로부터 적합한 유동으로 수중으로 통과하고 물의 일부가 채널 내측으로 유동하도록 지향된다. 흡입 부분으로부터 보유 부분으로, 후방 표면의 최후방 채널 표면 부분 및 작은 날개 에지가 비스듬히 후방으로 연속적으로 연장하며, 작은 날개 에지는 최전방 채널 표면 부분보다 더 급격하게 비스듬히 후방으로 연속적으로 연장하며, 후방 표면은 넓어져서 보유 부분 내에서 더 넓어지도록 채널을 형성한다. 보유 부분에서, 작은 날개 에지는 그에 연속적인 후방 표면이 예각보다 더 크지 않은 만큼 길이 방향과 상이한 방향으로 후방으로 연장하도록 지향된다. 추진 부분에서, 채널은 보유 부분보다 더 좁게 된다. 본 발명의 다른 양태에 따라서, 프로펠러는 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형으로 연장하는 복수의 작은 날개들을 가진다. 각각의 작은 날개는 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형으로 연장하는 유체 유동 공간을 형성한다. 그의 외측 에지에 대한 작은 날개의 길이는 작은 날개의 전방 단부에 있는 최소 연장부로부터 프로펠러의 후방 부분에 있는 최대 연장부로 후방으로 연속적으로 증가하며, 그 후에 그로부터 작은 날개의 후방 단부로 후방으로 연속적으로 감소한다.

유체 유동 공간은 프로펠러의 전방 부분 및 중간 부분으로 일반적으로 원형인 그의 나선형 경로에 비례하는 횡단면을 가지며, 이러한 횡단면은 직경이 후방으로 증가한다.

작은 날개(winglet)는 이의 에지에서 종결되는 후방 대면 곡선형 표면을 가진다. 프로펠러의 전방 부분에서의 곡선형 표면은 유체 유동 공간의 원형 횡단면의 원주부의 증가하는 호(arc)를 따라 연장하고 중간 부분에서 호의 적어도 대략 180도에 도달하며, 여기서 표면은 실질적으로 프로펠러의 회전 축선에 평행한 에지로 이끄는 말단 표면을 제공한다.

작은 날개는 바람직하게는 연장부에서 호(arc)의 180도를 넘어 증가하지만 원형 횡단면의 외측으로 후방으로 연장한다. 작은 날개의 최대 연장이 도달되는 위치의 후방인 후방 부분에서 , 작은 날개는 반경방향으로 내향으로 압축되어서 작은 날개 연장부가 후방으로 감소될 때 유체 유동 공간의 횡단면은 일반적으로 크기가 계속해서 감소되는 타원형 형상이 되며, 이 때 타원형의 더 긴 축선은 프로펠러의 길이방향으로 연장하고, 이 때 작은 날개는 일반적으로 후방으로 길이방향으로 연장하는 곡선형 표면의 말단 에지 부분을 유지한다.

본원에서 본 발명의 다른 목적들 및 장점들은 아래 명세서에서 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프로펠러를 이용하는 보트에 대한 측면도이다.
도 2는 보트 상의 프로펠러-지지 구조물에 대한 측면도이며, 이 때 하우징의 일부가 이의 내부 작동들을 도시하기 위해 절단된다.
도 3은 도 1에서 보여지는 것과 같은 보트에 대한 정면도이다.
도 4는 도 1의 프로펠러에 대한 좌측면도이다.
도 5a는 도 1의 프로펠러에 대한 상세 우측면도이다.
도 5b는 프로펠러의 길이방향의 중심선을 통해 수직 평면에서 취한 도 5a에서와 같은 횡단면도이다.
도 6은 도 5에서와 같은 프로펠러의 단일 작은 날개에 대한 측면도이다.
도 7은 프로펠러의 길이 전반에 걸쳐 작은 날개의 표면 폭의 변화를 예시하는 그래프이다.
도 8은 확인된 회전 축선에 대해 수직한 다양한 횡단면 평면들을 갖는, 도 6의 단일 작은 날개에 대한 측면도이다.
도 9는 도 8의 작은 날개에 대한 전방 단부도이다.
도 10은 선들(B₁ 내지 B₉)를 따라 취한 도 8의 일련의 작은 날개의 전방으로 응시하는 횡단면도들이다.
도 11은 회전 축선에 수직한 수직 평면을 통해 취한 도 10의 작은 날개의 일련의 상세횡단면도들이다.
도 12는 도 4 및 도 5a의 일련의 프로펠러의 횡단면(A₁ 내지 A₁₄)들을 도시한다.
도 13은 전방으로 응시한 지지 샤프트를 통한 도 1의 프로펠러에 대한 후면 횡단면도이다.
도 14는 본 발명의 프로펠러의 작은 날개에 대한 예시적인 횡단면의 상세도이다.
도 15는 프로펠러의 작은 날개 기저부와 말단 에지의 중점의 회전 각 위치에 대한 도표이다.
도 16은 발명에 따른 작은 날개의 부분 전반에 걸친 유동을 순응하는 것을 도시하는 도표이다.
도 17a는 프로펠러의 보유 부분 내의 작은 날개에 의한 물의 보유를 도시하는 도표이다.
도 17b 및 도 17c는 공격 각도에 수직한 횡단면들에 대한 예들이다.
도 18은 본 발명의 대안적인 실시예의 프로펠러를 가지는 부유 배슬에 대한 측면도이다.
도 19는 본 발명의 여전히 대안적인 실시예의 프로펠러를 가지는 부유 선박에 대한 측면도이다.
도 20은 도 19의 프로펠러에 대한 상세 측면도이다.
도 21은 도 20의 평면(A-A)으로부터 취한 후방으로 응시한 상세도이다.
도 22는 도 19의 프로펠러에 대한 전방으로 응시한 상세후면도이다.
도 23은 회전 축선을 통해 연장하는 수직 평면을 통해 취한 도 19의 프로펠러에 대한 횡단측면도이다.
도 24a 및 도 24b는 프로펠러의 회전 축선에 수직한 평면(C₁ to C₁₇)들에서 취한 도 23의 프로펠러의 일련의 횡단면도들이다.
도 25는 본 발명의 여전히 추가 대안적인 실시예의 프로펠러를 가지는 부유 선박에 대한 측면도이다.
도 26은 본 발명에 따른 프로펠러 시스템의 여전히 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 27은 도 26의 프로펠러에 대한 후방으로 응시한 정면도이다.
도 28은 평면(B-B)로부터 취한 도 26의 프로펠러에 대한 전방으로 응시한 상세후면도이다.
도 29는 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 26의 프로펠러에 대한 횡단면이다.
도 30은 프로펠러 시스템의 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 31은 도 30에 도시되는 프로펠러 시스템에 대한 정면도이다.
도 32는 도 30에 도시되는프로펠러 시스템에 대한 후면도이다.
도 33은 길이방향의 중심선을 따라 도 30의 프로펠러 시스템에 대한 횡단면이다.
도 34는 도 30 내지 도 33의 프로펠러 시스템에 대한 횡단면(D₁ 내지 D₄)들을 도시한다.
도 35는 이의 전방 단부에서 작은 날개의 두꺼워진 벽들을 갖는 프로펠러의 다른 실시예에 대한 일련의 횡단면도(E₁ 내지 E₈)들이다.
도 36은 이의 전방 단부에서 작은 날개의 두꺼워진 벽들을 갖는 프로펠러의 다른 실시예에 대한 일련의 횡단면도(F₁ 내지 F₈)들이다.
도 37은 워터제트(waterjet) 구성에서 프로펠러를 갖는 프로펠러 시스템의 다른 실시예에 대한 측면도를 도시한다.
도 38은 도 37에 도시되는 프로펠러 시스템에 대한 정면도이다.
도 39는 도 37에 도시되는 프로펠러 시스템에 대한 후면도이다.
도 40은 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 37의 프로펠러에 대한 횡단면이다.
도 41은 도 37의 프로펠러에 대한 횡단면(G₁ 내지 G₅)들을 도시한다.
도 42는 인투베이션(intubation)에 의해, 프로펠러의 여전히 다른 고속 실시예에 대한 측면도이다.
도 43은 도 42의 프로펠러에 대한 정면도이다.
도 44은 도 42의 프로펠러에 대한 후면도이다.
도 45은 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 42의 프로펠러에 대한 횡단면도이다.
도 46은 도 45에서 평면(H₁ 내지 H₁₄)들에서 도 42의 프로펠러에 대한 일련의 횡단면도들이다.
도 47은 인투베이션을 제외한 도 30의 프로펠러와 유사한 프로펠러 시스템의 여전히 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 48은 도 47에 도시되는 프로펠러 시스템에 대한 정면도이다.
도 49는 도 47에 도시되는프로펠러 시스템에 대한 후면도이다.
도 50은 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 47의 프로펠러에 대한 횡단면이다.
도 51은 도 47의 프로펠러에 대한 평면(I₁ 내지 I₄)들에서 취한 일련의 횡단면들이다.
도 52는 작은 날개 에지의 T-섹션을 갖는 가역적인 실시예인 프로펠러 시스템의 추가 대안적인 실시예에 대한 측면도이다.
도 53은 도 52의 프로펠러에 대한 정면도이다.
도 54은 도 52의 프로펠러에 대한 후면도이다.
도 55는 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 52의 프로펠러에 대한 횡단면도이다.
도 56은 평면(J₁ 내지 J₉)들에서 도 52의 프로펠러에 대한 횡단면들을 도시한다.
도 57은 볼록한 노즈(bulbous nose) 및 인투베이션을 갖는 프로펠러 시스템의 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 58은 도 57의 프로펠러에 대한 정면도이다.
도 59는 도 57의 프로펠러에 대한 후면도이다.
도 60은 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 57의 프로펠러에 대한 횡단면이다.
도 61은 평면(K₁ 내지 K₉)들에서 도 60의 프로펠러에 대한 일련의 횡단면도들이다.
도 62는 중실형 형상 근처에 작은 날개들을 가지는 프로펠러 시스템의 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 63은 도 62의 프로펠러에 대한 정면도를 도시한다.
도 64는 도 62의 프로펠러에 대한 후면도를 도시한다.
도 65는 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 62의 프로펠러에 대한 횡단면도이다.
도 66은 평면(L₁ 내지 L₉)들에서 도 62의 프로펠러에 대한 횡단면들을 도시한다.
도 67은 고정된, 비-회전 프레임 또는 그릴(grille) 내에 밀봉된 프로펠러 시스템의 다른 실시예에 대한 측면도를 도시한다.
도 68은 도 67의 프로펠러에 대한 정면도이다.
도 69는 프로펠러의 길이방향의 중심선을 따라 절단된, 프레임 내에 장착된 프로펠러를 도시한다.
도 70은 도 67의 프로펠러에 대한 후면도를 도시한다.
도 71은 평면(M₁ 내지 M₆)들에서 도 67의 프로펠러에 대한 횡단면들을 도시한다.
도 72는 도 67의 프로펠러의 변형예에 대한 다른 길이방향의 횡단면도를 도시한다.
도 73은 도 72의 프로펠러에 대한 정면도를 도시한다.
도 74는 도 72의 프로펠러에 대한 후면도를 도시한다.
도 75는 가역적인, 대칭적인, 중심이 없는(coreless) 프로펠러를 가지는 프로펠러 시스템의 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 76은 도 75의 프로펠러에 대한 정면도를 도시한다.
도 77은 도 75의 프로펠러에 대한 후면도를 도시한다.
도 78은 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 75의 프로펠러에 대한 횡단면도이다.
도 79는 평면(N₁ 내지 N₉)들에서 도 75의 프로펠러에 대한 일련의 횡단면도들을 도시한다.
도 80은 매우 높은 또는 울트라-하이 속도에서의 사용을 위해 구성되는 프로펠러 시스템의 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 81은 이의 길이방향의 중심선을 따라 도 80의 프로펠러에 대한 횡단면도이다.
도 82는 평면(O₁ 내지 O₅)들에서 도 80의 프로펠러에 대한 일련의 횡단면도들을 도시한다.
도 83a는 도 1에 도시되는 프로펠러에 대한 외형도이다.
도 83b는 도 19(20)에 도시되는 프로펠러에 대한 외형도이다.
도 83c는 도 30에 도시되는 프로펠러 시스템에 대한 외형도이다.

도 1에서 가장 잘 보여지는 바와 같이, 하나 이상의 프로펠러 또는 프로펠러(11)는 물(15) 내에 부유하는 선박(13) 아래에서 지지된다. 프로펠러(11)는 완전히 물에 잠기며, 선박(13)의 (도시되지 않은) 모터에 의해 구동되며, 이는 회전 축선(19)를 따라 전방으로 응시하여 관찰될 때 프로펠러(11)가 시계방향(17)으로 회전하는 것을 유발시켜서, 전방 방향(A)로 선박(13)을 추진시킨다. 프로펠러(11)의 뾰족한(pointed) 전방 단부(23)는 전방 방향으로 연장한다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 선박(13)의 러더(rudder) 구조물(29)은 프로펠러(11)의 후방 단부(25)로부터 러더(29)의 밀봉된 수용 슬리브(27) 내로 연장하는 샤프트 부분(26)을 수용하고 회전가능하게 지지한다. 샤프트(26)는 (도시되지 않은) 모터로부터 샤프트(35) 상에 웜 기어(worm gear)(33)와 맞물리는(mesh) 나사산형성된 원통형 기어(31) 그 위에 고정되거나, 샤프트(26)는 본 분야에서 공지된 프로펠러 샤프트들을 회전하기 위한 임의의 다른 시스템에 의해 구동될 수 있다. 본 본야에서 또한 주지된 바와 같이, 피봇팅 러더 베인(Pivoting rudder vane)(28)은 선박의 이동을 가이딩(guide)하기 위해 선박의 사용자에 의해 제어된다.

프로펠러 디자인의 개요

도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 프로펠러(11)는, 샤프트(25) 주위로 일반적으로 나선으로 연장하는 본원에서 작은 날개들 또는 블레이드 표면들로 지칭되는 복수의, 이 실시예에서는 세 개의 추진 요소(41, 43 및 45)들 그 위에서 지지하는 중심 샤프트(25)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 작은 날개(41, 43 및 45)들을 포함하는 프로펠러(11) 통합적이거나 재료-복합형 단일체 장치이어서, 상대적으로 강성인 재료, 예를 들어 복합 재료들, 금속 및/또는 플라스틱의 하나의 피스로 형성되는 것을 의미하게 하며, 러더 구조물(29) 내의 회전에 대해 지지되는 이의 부품만 제외하고는 상기 프로펠러는 내부적인 이동 부품들을 가지지 않는다.

각각의 작은 날개(41, 43 및 45)들은 작은 날개의 오목형, 일반적으로 후방으로 배치되는 채널 표면(channel face) 내에 관련된 각각의 스파이럴링 유체 유동 공간(spiraling fluid flow space)을 형성한다.

일반적으로 흡입 부분으로 설명되는, 프로펠러의 전방 부분에서, 프로펠러는 물 속에서 회전하고 전진하여서, 각각의 작은 날개 에지가 점차적으로 절단되고 물을 관련 채널 내로 운반시키도록 물과 만나는 것을 유발시키며, 이 경우 물은 후방으로 지향되며, 이 때 논-캐비테이팅(non-cavitating) 유동을 작은 날개들의 전방 및 후방 표면들 전반에 걸쳐 순응시킨다. 흡입 부분에서, 작은 날개들은 길이가 증가하며, 작은 날개들에 의해 대응(subtend)되는 채널들의 용적은 작은 날개 에지들의 절단에 의해 채널들로 보내어지는 물의 증가 양을 수용하기 위해 점차적으로 그리고 계속적으로 증가한다.

프로펠러의 전방 팁(tip)에서, 유체 유동 공간 또는 채널은 작거나 존재하지 않으며(nonexistent), 작은 작은 날개 표면들은, 길이방향 축선 근처에서 초기에는 직선형으로 또는 약간 나선형으로 시작하고 그 후에 이들의 나선(helix)을 약 45도 각도까지 점차적으로 증가시키는 에지들에서 종결되고 액티브(active)/추진 세그먼트의 대부분의 길이에 대한 각도의 상태로 유지된다. 채널들은 횡단면(각각의 작은 날개 뒤에 있는 각각의 채널의 각각의 나선형 경로에 수직한 평면에서 취하거나, 길이방향 축선을 통해 연장하는 평면 내에서 취하는 것 중 하나로 취하는 횡단면)이 증가하며, 이때 결과적으로 후방쪽의 용적을 증가시킨다. 작은 날개들은 일반적으로 곡선형 횡단면 형상을 가지며, 작은 날개들의 오목 표면들은 프로펠러의 회전 방향에서의 각도로 경사지게 (tilt)된다. 에지들은 정적상태의 물을 절단하고 주변 물로부터 절단하는 절단 에지들로서의 역할을 하며, 물의 일부분은 그 후에 유체 유동 공간 내로 운반되고 그 안에서 나선형 유동으로 후방으로 가속된다.

이러한 실시예에서 작은 날개들의 곡선형 형상은 원의 호에 상응하거나 대략 원의 일부분이다. 작은 날개들이 후방으로 더 길게 생성될 때, 작은 날개들의 표면들은 유체 유동 공간의 일반적으로 원형 형상의 호를 따라 더 연장하며, 호의 반경도 마찬가지로 증가하며, 이 때 채널은 일반적으로 프로펠러의 회전 축선을 중심으로 나선으로 감싸지는 원뿔형 공간으로 설명될 수 있는 유동 공간을 대응하거나 구성한다.

프로펠러의 중간 부분에서, 일반적으로 보유 부분으로 설명되는, 채널들이 그들의 최대 반경 폭에 도달하도록 작은 날개들은 성형된다.

이러한 보유 부분에서, 작은 날개들의 에지들의 외측 표면은 길이방향에 평행하게 대략 직선형으로 후방으로 연장하며, 또는 더 기하학적으로 표현하자면, 외측 표면들은 프로펠러 회전 축선 근처에 가정적인 원통(theoretical cylinder)에 접선방향에 있다. 여기에 물은 채널들 내로 취해지지 않지만, 이미 채널들 내부에 있는 물은 채널들 내에 나선으로 유동하도록 밀봉되고 안내된다. 작은 날개들 외부에 있는 물은 캐비테이션(cavitation) 없이 그리고 채널들 내로 견인됨 없이, 회전 작은 날개들의 외측 표면 전반에 걸쳐 순응적으로 유동한다.

채널 내부에 있는 물은 채널의 용적의 상당한 부분을 둘러싸기 위해 작은 날개의 연장부에 의해 실질적으로 채널로부터 원심방향의 외측으로 유동하는 것을 막으며, 이 때 유동 공간의 전방으로부터 작은 날개의 후방 팁으로의 길이방향의 거리는 작은 날개에 의해 제한되기 때문에 유동 공간의 반경 폭의 적어도 절반이며, 이 때 작은 날개들의 곡선부는 180 도에 가깝거나 그 초과의 호이다. 보유 부분에서 또한, 작은 날개들의 에지들의 내향 표면들은 절단 에지인 것이 끝나며, 오히려 작은 날개 채널의 말단 에지 표면이 작은 날개의 내부 표면을 따라 지나기 위해, 그리고 프로펠러에 의해 물에 수여되는 에너지를 낭비하게 되는 측방으로 그리고 외측으로가 아닌, 후방으로 작은 날개를 빠져나가기 위해 채널 내에서 원심방향으로 외측으로 푸쉬되는 물의 유동을 편향시키거나 지향시키도록 배향되는 작은 날개 채널들의 말단 에지 표면이 된다.

보존 부분의 후방에 있는, 프로펠러의 후방 부분은 여기서 일반적으로 배기 부분으로 설명된다. 횡단면의 직경은 후방으로 최대 점까지 증가하며, 그 후에 유체 유동 공간 채널은 은 반경방향으로 좁아져서 상기 채널은 길이방향으로 편구(oblate) 상태가 되고 일반적으로 형상이 타원형이 되며, 이 때 나선형 경로의 피치(pitch)가 증가하여서 유체는 가속되는 속도로 프로펠러를 떠나게 된다. 채널이 반경방향으로 좁아지고 길이방향으로 늘어나도록 작은 날개들의 만곡부(curvature)는 점차적으로 반경방향으로 내향으로 좁아져서, 물이 유동하는 것을 통해 채널의 용적을 점진적으로 감소시키게 하며, 이 때 물이 통과하는 결과로써, 물은 실질적으로 바로 후방으로 고속으로 작은 날개의 후방 에지에서의 채널로부터 추방되며, 이는 바로 길이방향으로 후방으로 일반적으로 연장하도록 배향된다. 채널을 통해 유동하는 물의 후방 이동이 가속되도록 채널들의 나선형 경로는 본원에서 또한 피치가 증가한다.

프로펠러 및 모든 이의 표면들은 이를 통과하는 유체의 유동의 연속성을 보존하도록 그리고 유체의 상태의 외란(disturbance)을 최소화시키도록 디자인된다. 이것은 물 유동 또는 정체상태(stagnation)에서 난류(turbulence), 및 효율의 결과적인 손실을 생성하는 경향이 있는 급격한 변화들 또는 균일하지 않은 표면들을 제거함으로써 달성된다. 본 발명의 프로펠러(11)는 다음의 기능들 및 장점들을 제공한다:

- 이는 유체를 효율적으로 가르고 유체역학적으로 변위시키며;

- 이는 난류 또는 정체 등을 생성함 없이 유체를 점차적으로 그리고 효율적으로 절단하고 수집하며;

- 이는 유체를 실질적으로 바로 후방으로, 추진시켜서, 점차적으로, 순조롭게, 효율적으로 그리고 힘차게 유체를 가속시키며;

- 이는 유체를 측방향으로 함유하고, 원심방향으로 유체의 손실을 감소시키며;

- 이는 프로펠러로부터 유체를 투명하고 균일한 유동으로 후방으로 방출시키며;

- 이는, 상기 장치가 유체를 통해 진행하는 동안 장치의 난류 및 항력을 감소시키는 프로펠러의 외형 또는 외부 용기를 제공하며;

- 이는 가능한 거의 유선형(streamlined) 방식의 하나의 화합물/복합물 단일체 프로펠러 디자인 및 장치를 사용하여 끊임없이(seamlessly) 상기 기능들을 수행한다.

위에서 설명된 세 개의 주요 부분들, 즉, 흡입, 보존 및 배기 부분들은 프로펠러 또는 프로펠러(11)의 주요한 특징부들이지만 더 자세하게는, 도 4 및 도 5를 참조하면, 프로펠러 또는 임펠프로펠러(11)는 각각의 특정한 기능들에 각각 집중된, 다섯개의 길이방향의 섹션들 또는 세그먼트들(A 내지 E)로 개념적으로 분할될 수 있다. 작은 날개들의 매끄러운 형상에 의해, 섹션들 사이의 전환은 순조롭고 연속적이고, 세그먼트들의 기능들의 일부 중첩들이 존재할 수 있다.

제 1 세그먼트는 관통 섹션(A), 즉, 뾰족한 팁(23)이며, 이는 유체 내로의 입장을 가능한 효율적이고 난류가 없게(non-turbulent) 만드는 것을 보조한다. 본 디자인의 목적은 선박의 추진 뿐만 아니라 유체의 유동의 캐비테이션, 소음, 항력 또는 다른 비효율성을 유발하는 프로펠러 상의 모든 곳에 대해 임의의 난류 또는 압력 또는 유동 속도의 임의의 상이함을 최소화시키는 것이다. 프로펠러(11)의 뾰족한 노즈는 이러한 것들을 수행하며, 작은 날개들의 초기의 외향 연장부는 회전 전방 팁(23) 근처의 난류를 최소화시키는 경로 내에 있다.

제 2 세그먼트는 흡기 섹션(B)이다. 흡기 섹션(B)에서, 각각의 작은 날개(winglet)들의 리딩 에지는, 표면이 점차적으로 측방향으로 넓어지고 후방으로 오목해지는 상태에서, 초기에 길이방향으로 연장하며, 반경 방향 외측방으로 돌출하고, 이어서 전방 및/또는 측방 작은 날개 에지들에 비스듬하게 배치되게 매끄럽게 이행하여, 상기 설명된 바와 같이 프로펠러의 작은 날개의 내측방 및 후방 오목 표면에 의해 형성된 채널 통로의 볼륨 내측에서 유체를 수집하고 유체를 취한다. 이러한 영역에서의 채널에 상대하는(subtended) 볼륨은, 프로펠러의 후방으로 계속해서 단조(monotonically) 증가한다.

제 3 세그먼트는 상기 설명된 바와 같이 흡기 섹션(B)을 후속하는 보유(retention) 또는 중간 압축/추진 섹션(C)이다. 압축/추진 보유 섹션(C) 프로펠러는 측방향 연장이 시작하는 곳에서 대략 시작하며, 2 개의 인접한 블레이드들/작은 날개들 사이에 형성되는 스파이럴링 채널 볼륨에서 유체를 캡슐화(encapsulate)하거나 봉입(enclose)한다. 이러한 섹션에서의 채널 유동 공간은, 물이 흐르며 더 가속화되는 스파이럴(spiral) 또는 나선형(helical) 경로에 비스듬하다(diagonal). 섹션(C)은 또한 보유 섹션으로서 설명되는데, 이는 채널 볼륨이 작은 날개들의 후방 연장에 의해 반경 방향 외측방으로 주로 구속되며, 이는 프로펠러의 회전에 의해 형성된 원심력으로 인해 채널에서의 물의 반경 방향 외측방 흐름을 차단한다. 여기서, 채널의 볼륨의 증가는 느려지거나 전부 중단된다.

제 4 세그먼트는 배기(exhaust) 섹션(D)이며, 여기서는, 블레이드들/작은 날개들의 에지가 프로펠러(11)의 후방에 대해 실질적으로 직선으로 지향된 채널에서 후방으로 지향된 개구로부터 내측방으로 끼며(pinch), 작은 날개 채널 내의 물이 프로펠러(11)로부터 후방으로 유동하는 것을 유발한다. 채널은 좁으며, 스파이럴 피치는 이 섹션에서 증가하며, 물의 후방 방출(expulsion)을 가속한다.

제 5 섹션은 트레일링 섹션(E)이며, 여기서 작은 날개들은 원통형 샤프트(25)를 따라 이어지도록 유체 유동을 철회(relinguish)하기 위해서 길이방향 축에 대해 날카로운 각도로 연장함으로써 종료한다. 이 세그먼트에서의 작은 날개들은 길이방향을 직선으로 후방으로 연장하며, 이 작은 날개들은 각각의 작은 날개들의 트레일링 에지가 유체를 방출하는 것을 유발하도록 전방 섹션들보다 더 작은 오목함(concavity) 또는 커핑(cupping)을 갖는다. 마지막 세그먼트는 가능한 한 많이 반경 방향 중심으로 유동을 안내하며, 이에 따라 유동을 매끄럽게 한다. 임의의 회전 디바이스가 와류(vortex), 그리고 이에 따라 약간의 난류(turbulence)를 형성하며, 이는 에너지를 사용하며 비효율성을 형성하지만, 이러한 프로펠러 설계는 프로펠러의 후방 단부에서 형성된 난류를 감소 또는 제거한다. 드라이브가 프로펠러의 후방에서 샤프트에 연결되지 않은 실시예들에서, 프로펠러(11)의 후방 단부는 바람직하게는 도 5a 또는 도 5b의 실시예에서 제시되지 않은 날카로운 포인트로 아래로 테이퍼진다.

흡기 및 보유 세그먼트(B, C)들은 모든 세그먼트들이 인접한 섹션들을 가지고, 프로펠러 둘레에 나선형인 채널들 모두를 공유하며 및 섹션들이 갑작스런 난류를 자극하는 변화 없이 다음으로 각각 매끄럽게 변형함에 따라 이러한 세그먼트들이 기능적으로 다소 통합된다., 세그먼트들이 이들 사이에서 완전 통합되거나 이 세그먼트들이 형성될 수 있고 더 분명하게 구분(compartmentalize)될 수 있는 프로펠러(11)의 변형예들이 이루어질 수 있다. 프로펠러(11) 및 그의 작은 날개들의 심리스(seamless) 구조 때문에, 세그먼트들을 갖는 것이 아니라, 단지 하나의 연속 구조를 갖는 것으로 고려될 수 있으며, 이는 세그먼트 기능들 중 전체 5 개 또는 중간 3개를 이행한다. 또한, 프로펠러 또는 프로펠러들은, 상기 설명된 기능 세그먼트 구조들의 단지 하나 또는 두개를 유리하게 사용할 수 있다.

이러한 세그먼트들의 통합으로 인해, 여기에 제시된 프로펠러는 보통의 해류(current)에 사용하는 "분절화된(fragmented)" 또는 "플랫(flat)" 프로펠러에 비해서 연속 프로펠러로서 설명될 수 있다.

그의 형상 및 작동 모드 때문에, 그리고 그의 설계시 임펠러(impeller) 뿐만아니라 프로펠러 구성요소를 포함하기 때문에, 프로펠러(11)는 그의 축에 대한 날카로운 각도들로 양 단부들에서 가변적인 나선형 피치식(helically-pitched)의 점진적이며 연속적인 에지 블레이드들 또는 작은 날개들과 함께, 특정 형상의, 축상의 점진적인 임펠프로펠러(axial, gradual impelpropeller)로서 기술적이고 그리고 정교하게 설명될 수 있다.

프로펠러(11)의 외부 엔벨로프 형상의 설계는, 물속에서 전방으로 이동하는데 예상되는 속도에 의해 판정되는 정도이다. 프로펠러가 매우 빠르고 또는 슈퍼-패스트 베리언트일 때(특히, 고성능 선박들에서 사용되는 바와 같음), 얻을 수 있는 가장 높은 속도, 특히 높은 회전 속도에 도달하기 위한 목적으로 프로펠러는 슬림하고 길며, 이는 가장 작은 단면을 위해 방출되는 유체의 가장 빠른 볼륨을 부여하며, 이에 따라 가장 적은 저항을 유발한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 회전 프로펠러(11)의 외부 엔벨로프는, 날카로우며, 공기역학적으로 일반적으로 "풋볼"형상의 회전을 닮았으며, 여기서 프로펠러의 전방 단부는 나선형(helicoidal)이며, 피크 예각(acute peak angle)을 갖는 실질적으로 원추형 엔벨로프 내에 형성된다. 원추형 전방 단부 형상은 프로펠러 앞에(ahead) 정체(stagnation) 포인트를 회피하도록 기능한다. 게다가, 후방 단부에서 프로펠러에 외접하는(circumscribing) 엔벨로프는, 정점(apex) 예각을 갖는 후방 원추형 엔벨로프, 바람직하게는 전방 원추형 엔벨로프의 정점 각도보다 약간 덜 예리하며, 즉 길이방향 축에 대해 더 큰 테이퍼 각으로 내방으로 테이퍼지며, 이러한 모든 파라미터들은 그의 특별한 설계의 요건 또는 특별한 요구들에 따라 가변적이다.

유체의 가장 큰 체적을 위해 또는 더 느린 이동을 위한 상이한 변형예들에서, 프로펠러는, 도 4 및 도 5의 설계 및 개념과 아직 유사한 상이한 형태들을 취할 수 있지만, 하기에 추가로 논의되는 바와 같이, 외부 엔벨로프의 상이한 비율(proportion)들 또는 비(ratio)들를 취할 수 있다. 다른 변형예들에서, 특히 프로펠러의 전방 단부 또는 후방 단부 또는 양자 모두는 선박의 모터에 의해 구동되는 샤프트들인 변형예들에서, 제 1 세그먼트(A) 및 마지막 세그먼트(E)는 프로펠러에서 제거될 수 있다.

작은 날개들의 구성

도 6을 참조하면, 다이어그램은 중심 샤프트(25)에 부착되는 다른 작은 날개들 없이 예시적인 단일 작은 날개(41)를 도시한다. 제 1 실시예에서, 이러한 구성의 3 개의 작은 날개들은 샤프트(25) 상에 있으며, 도 5에 도시된 실시예에서 작은 날개(41, 43, 45)들 각각은 프로펠러(11) 둘레 길이방향 축을 둘레에 별도의 스파이럴 경로를 각각 갖도록 서로에 대해 120°로 회전되는 것을 제외하고는 도 6에 도시된 작은 날개(41)와 동일한 구조 및 구성을 갖는다는 것이 이해될 것이다. 완전한 프로펠러에서 상이한 작은 날개(41, 43, 45)들의 상대적 위치들은, 도 12의 다양한 단면도에서 그리고 도 13에 도시된 프로펠러(11)의 후면도에서 또한 도시될 수 있다. 도시된 단일 작은 날개 구조는, 예시적이며, 또한 프로펠러로서 어느 정도 기능할 수 있지만, 회전식으로 밸런스되지 않는다.

도 6에서 보는 바와 같이, 각각의 작은 날개(41)는 본질적으로 중심 샤프트(25)에 부착되는 반경 방향 내측방의 선단(proximal) 부분(51)을 갖는 구조를 포함한다. 대안으로, 중심 샤프트를 갖지 않는 단일화된 구조 프로펠러(11)를 형성하도록, 작은 날개(41)는 길이방향 축에 단순히 위치되며 다른 작은 날개(43, 45)들에 고정 연결될 수 있다.

작은 날개(41)는 프로펠러(11)의 길이방향 축을 중심으로 스파이럴식으로 연장하는 내측방 선단 부분(41)으로부터 외측방 에지(53)로 외측방으로 반경 방향으로 연장한다. 작은 날개 본체 자체는, 2 개의 표면들, 일반적으로 전방 및 외측방으로 배치되는 표면(55) 및 일반적으로 후방 및 내측방으로 배치되는, 본질적으로 작은 날개의 전방 단부(59)로부터 작은 날개의 후방 단부(61)로 모든 경로를 계속해서 연장하는, 표면(57)을 갖는다. 작은 날개(41)는 프로펠러 둘레 유체의 유동을 돕도록 소정의 변동들을 제외하고, 프로펠러의 축을 중심으로 일반적으로 스파이럴 경로로 연장한다.

도 7을 참조하면, 작은 날개는, 반경 방향 내측방 선단 단부(51)로부터 또는 프로펠러(11)의 축으로부터 작은 날개의 외측방 에지로 그의 내측 표면(57)을 따라 반경 방향 외측방으로 측정되는 바와 같이 측방향 표면 폭(S)을 갖는다. 작은 날개의 후방 표면(57)의 곡선 표면을 따라 측정되는 바와 같이 이러한 치수(S)의 편차가 도 7의 그래프에 예시되며, 이 그래프는 측정을 위해서 본질적으로 코일화되지 않고(uncoiled) 평탄한 작은 날개를 도시한다. 이러한 표면 폭 치수(S)는 전방 단부(59)로부터 점차 증가하며, 이 단부에서, 작은 날개(41)는 프로펠러(11)의 후방으로 점차 그리고 대략 선형으로 증가하도록 프로펠러의 날카로운 전방 지점(23)으로부터 처음에 나타난다. 이 치수(S)는 이 실시예에서 대략 0.6 내지 0.75 지점에서 후방으로 증가하며, 여기서 L은 전방 단부(59)로부터 후방 단부(61)로 후방으로 측정되는 작은 날개의 길이이다. 이의 후방으로, 작은 날개 표면 치수(S)는 선형 증가 각도보다 내측방으로 훨씬 더 날카롭게 곡선화하며 테이퍼지고, 프로펠러의 마지막 0.25L 내에서 본질적으로 0으로 감소한다.

길이 방향에서 본 도 9를 참조하면, 작은 날개의 전방 단부(59)는, 중심 샤프트(25)에 부착되며, 작은 날개는 프로펠러(11)의 치수의, 외부의 일반적으로 원형 엔벨로프(T)에 의해 외접가능한 최대치(maximum circumscribable)에 도달하고 이후 프로펠러(11)가 프로펠러(11)의 단부에서 다시 더 좁아지게 될 때까지 외부 에지(53)의 폭에 대해 증가하는 반경 방향 폭으로 스파이럴식으로 외측방으로 연장한다.

작은 날개(41)가 측방향 길이로 증가함에 따라, 이는 또한 작은 날개(41)의 측방향 치수(S)의 길이와 함께 증가하는 오목함을 발생시킨다. 이러한 만곡(curvature)이 도 10의 작은 날개 횡단면도에서 예시되며, 도 8에서 그리고 또한 도 11에서 상세하게 확대하여 설명되는 바와 같이 점차적인 길이방향 위치(B1-B9)를 취한다. 이들과 유사한 횡단면들은 전부 3 개의 작은 날개들을 갖는 실제 프로펠러 횡단면들을 도시하는 도 12에 도시된 길이방향 축에 법선으로(normal) 취해진 점차적인 횡단면들에서 보여진다.

세그먼트 B1에서; 중심 샤프트(25)로부터 작은 날개가 약간 돌출하지만 이러한 섹션에서 본질적으로 평면인 작은 날개의 양측면(55, 57)들을 갖는 내측방 선단 단부(51)와 그의 외측방 단부(53) 사이에 오목함을 갖지 않는 것을 알 수 있다. 프로펠러의 시작 부분에서, 작은 날개의 전방 단부(59)에서, 작은 날개(41)는 샤프트 또는 축상의 선단 부분(51)과 외부 에지(53) 사이에 좁은 측방향 치수를 갖는다. 섹션 B을 통한 작은 날개의 초기 부분A에서, 작은 날개의 기능은, 선박이 본질적으로 비교란(undisturbed)된 물 내로 전진함에 따라 유체 또는 물을 가르는(cut) 것이며 프로펠러의 회전은 제한된 효과를 갖는다. 도 11의 상세에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 이러한 초기 부분에서, 작은 날개는 대략 85° 내지 90°의 범위에 있는 길이 방향 축 둘레의 원 또는 실린더에 대해서 표면(55)과 표면(57) 사이에서 평면을 교차하는 각도 방향으로서 규정된 어택(attack) 각도로 연장한다. 길이방향 축 둘레 스파이럴의 관점에서, 작은 날개는 수평으로부터 약 45°의, 또는 가장 바람직하게는 이 부분에서 물의 유입 흐름에 대해 평행한 각도인 스파이럴링/비스듬한 각도로 스파이럴링 각(spiraling angle)으로 축에 아주 바로 곡선으로 된다. 이는, 작은 날개의 날카로운 에지(53)가 물로 연장함에 따라 물과 프로펠러(11)의 초기 부분의 더 적은 난류 맞물림을 허용한다. 평면(B2)의 약간 더 후방에서, 후방에 대면하는 표면(57)은 약간 오목해지며, 작은 날개(41)의 날카로운 리딩 에지(53)가 프로펠러의 회전 방향에 대해 전방으로 원주방향으로 연장하기 시작하여 유체를 약간 가르고(cut) 내방 및 후방에 대면하는 표면(57)의 내부측 표면을 따라 순응하는 유동 내로 이 영역에서 제한된 유체량을 당기기 시작하도록 만곡된다. 동시에, 표면의 나선형 스파이럴 피치의 만곡은 0 또는 축에 대해 매우 낮은 각도인 전방 단부(59)에 인접한 초기 커팅 각도로부터 하기에 논의될 일반적으로 비스듬한 어택 커팅각(diagonal cutting angle of attack)으로 증가한다.

도 10의 단면(B3)을 참조하면, 중심 샤프트(25)로부터 외측방 에지(53)로의 표면 길이는, 후방 및 내방에 대면하는 표면(57)의 오목함에 따라 증가한다. 이러한 단면 영역은, 샤프트(25)와 작은 날개(41)의 외측방 에지(53) 사이에서 일반적으로 형성된 볼륨 또는 채널 내로 유동하기 위해서 리딩 에지(53)에 의해 동반되며 표면(57)으로 이동되는 유체의 량을 증가시킨다. 초기에, 에지(53)의 커팅은, 이러한 볼륨 또는 채널 공간 내로 물을 끌어당길(draw) 것이지만, 이는 또한 원심력 및 프로펠러(11)의 회전으로 인해 프로펠러(11)로부터 어느 정도의 상당한 측방향 외측 유동을 방지한다. 도 11에서 보는 바와 같이, B3에서, 상대하는(subtending) 원에 대한 접선(T)에 대한 전방 표면(55)의 어택 각도는 35°이며, 또는 30° 내지 40°내에 있다.

작은 날개의 에지까지 연장하는 전방 표면 및 후방 표면은, 프로펠러가 회전됨에 따라 작은 날개가 물을 취해 매끄럽고 실질적으로 공동화(cavitation) 없이 물을 후방 채널 내로 보내는 것을 유발하는 이러한 부분(인테이크 부분)에서 각지게 된다. 이는, 도 16에서 나타낸 바와 같이 인테이크 부분의 에지가 물을 가르도록 이들 표면 에지 부분들의 다양한 각도를 선택함으로 성취된다. 표면(55, 57)들은 에지(53) 근처 영역에서 거의 평면이며, 각도(α)에 의해 서로 상대적으로 각도를 갖는다. 선(P)는 에지를 통해 연장하며 각도(α)를 이등분한다. 작은 날개 에지는, 프로펠러가 회전됨에 따라, 화살표로 나타내는 물의 흐름이 이등분하는 라인(P)에 평행하도록 위치 설정되어, 흐름이 전방 표면(55) 및 후방 표면(57)에 걸쳐 약간 균등하게 나눠진다. 표면(55, 57)들은 이들 표면들이 에지로부터 멀리 연장하도록 매우 점진적으로 구부러지며, 따라서 임의의 난류가 존재한다면 프로펠러의 이 부분에서는 적다. 단면(B4)에서, 내부 샤프트(25)로부터 외측방 단부(53)로 표면(57)을 따른 거리(S)는 후방 및 내방에 대면하는 표면(57)의 오목함을 가짐에 따라 더 증가한다. 길이방향 축으로부터 작은 날개(41)의 에지(55)로 연장하는 코드(chord)(63)에 의해 일반적으로 예시되는 동반된 수량(entrained volume of water)은, 작은 날개 및 내부 표면(57)의 형상에 의해 외측방 원심 측방 반경 방향 외측 이동(outward centrifugal lateral radially-outward movement)으로부터 방지되는 작은 날개(41) 내부 볼륨을 규정한다. 게다가, 이 시점에서 작은 날개 단면에 상대하는 원에 대한 접선과 외측방 에지(55)에 인접한 외측방 표면(57) 사이에 형성된 각도는 이제 0°에 더 가까워지며, 내부측 표면(55)은 접선으로부터 몇도가 된다. 그러나, 에지가 계속해서 물을 가르고 채널 내로 가게 되어 단면 및 볼륨이 계속해서 증가하도록 에지가 각도들을 갖는다. 내부측 표면(57)의 에지의 이러한 각도로 인해, 작은 날개 후방 채널에서의 유체는 프로펠러의 길이방향 축에 비스듬한 후방 방향으로만 표면(57)을 따라 유동하며, 임의의 반경 방향 외측방 구성요소는 에지(53)에서 거의 접선 방향으로 후방으로 연장하는 내부측 표면(55)에 의해 편향되어, 운동 에너지(kinetic energy)를 잃게 될 유체 운동의 원심 손실을 많이 감소시키거나 제거한다.

도 11에 가장 잘 도시된, 단면(B5)을 참조하면, 작은 날개는 외측방 단부(53)에 대한 표면(57)의 표면을 따라 길이가 증가하며, 이 에지에서 외부 표면(55)은 이 지점에서 작은 날개 단면에 상대하는 원에 대한 접선이 0°가 된다. 이 지점에서, 작은 날개는 작은 날개의 가장 긴 측방향 표면 폭을 갖는다. 프로펠러의 회전(이 도면에서는 시계방향)은 물이 채널 내로 그리고 내부에서 비스듬하게 후방으로 순응하게(conformingly) 흐르는 것을 유발하고 외부 표면(55)에 걸쳐 일반적으로 원주 방향으로 순응하게 흐르는 것을 유발한다. 전방으로 대면하는 표면(55)은, 프로펠러(11)의 전방 단부 지점에 인접한 초기 부분(A, B)들에서 그리고 중심 샤프트(25) 근처를 순응하게 연결하는 것을 제외하고는, 일반적으로 표면의 전체 표면에 걸쳐 볼록하다. 게다가, 전방 표면(55)은 모든 지점들에서 일반적으로 비스듬하게 후방으로 연장한다.

채널의 길이방향 단면 또는 차동 볼륨은, 여기서 최대이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 단면 영역(cross-sectional area)은 채널의 스파이럴의 비스듬한 경로에 법선(normal) 평면에서 취한 작은 날개 후방 채널의 영역을 의미하고자 한다. 평면은 작은 날개의 후방 표면에 수직하고 표면 상에서 최후방 지점을 통해 연장하는 평면으로서 규정될 수 있다. 표면 상의 최전방 지점과 이들 지점들을 통한 길이 방향 평면의 작은 날개 사이의 채널의 단면 영역은 예컨대 도 5b에서 보는 바와 같이, 그 단면과 유사하다. 그 영역은 상기 설명된 유동 경로 영역과 유사하다. 여기서 언급된 볼륨은, 차등적(differential)이거나 순간적인(instantaneous) 볼륨, 즉 관련된 단면 영역x스파이럴 경로에서 짧거나 차등적인 거리이며, 여기서 설명된 단면 영역과 기본적으로 동일하다.

도 14를 참조하면, 에지(53)에 인접한 내측방 표면(57)은, 매우 얇은 각도(β)에 있으며, 이 각도는 프로펠러의 구조적 무결성을 유지하면서 가능한 한 얇아지며, 이 각도는 바람직하게는 10°미만, 그리고 가장 바람직하게는 5°미만이다.

작은 날개의 만곡은, 여기, 보유 부분에서, 샤프트(25)로부터 에지(53)로의 거리(R)가 에지(53)로부터 채널을 규정하는 표면(57)의 길이방향으로 최전방 지점으로의 길이방향 거리(Q)의 50% 이상이며, Q는 바람직하게는 선택된 윙들의 수 및 회전 속도 뿐만 아니라 선택된 설계(또는 이 지점에서 작은 날개 벽의 두께, 액슬의 두께 및 곡률/반경의 종류)에 대해 여전히 R 이상이다.

이 섹션(X5)의 후방에서, 코드(65)와 표면(57) 사이 공간이 크기가 감소하기 시작함에 따라 규정된 바와 같은 내부 표면(57)에 의해 에워싸이며 상대되는 볼륨은 크기가 감소하기 시작하며, 채널을 통해 흐르는 물은 채널로부터 후방으로 점진적으로 프로펠링된다. 이는, 작은 날개 곡률이 반경 방향 내방으로 평탄해짐으로써 유발되어, 채널이 물을 가속화하도록 스퀴즈된다. 또한, 길이방향 축 둘레 스파이럴 피치는, 이 영역에서 가파르게 되며(steepen), 후방으로 더 각진 흐름 방향을 형성한다. 게다가, 도 17a에 도시된 바와 같이, 작은 날개의 길이방향 단면은, 물이 회전 원심력 및 채널의 핀칭에 의해 표면(57)에 대항하여 강제되게 한다. 물은, 프로펠러(11)의 회전에 의해 발생된 원심력들에 의해 외측방으로 내몰리며(driven), 물은 표면(57)을 따라 통과하고, 여기서 물은 표면(57)을 따라 표면에 순응하여 유동하고, 이어서 작은 날개의 에지(53)로부터 직후방으로 주로 지향하여 유동하도록 편향되며, 이는 컷팅 에지에서 중단되며, 그리고 추가로 트레일링 에지가 되며, 물은 이 에지 위에서 채널 밖으로 흐른다. 각도(β)의 협소함(narrowness)으로 인해, 표면은 반경 방향 외측방향으로 최소 컴포넌트에 의해 후방으로 물을 지향한다.

평면(B6)을 참조하면, B5에서 가장 넓은 표면 범위에 도달한 후, 채널은 좁지만, 전방 표면(55)은 엔벨로프의 최대 외부 원 크기에 대해 대략 접선인 에지(53)로 여전히 연장하며, 표면(55)과 코드(67) 사이 최대 지점에서 규정된 볼륨을 가지며, 이는 이러한 나선형 통로를 통한 유체의 흐름에 의해 발생된 어떠한 원심력에도 불구하고(despite) 프로펠러(11)의 반경 방향 외측방으로 통과할 수 없도록 동반된다. 오목한 채널의 형상은, 도시된 횡방향 단면에서, 일반적으로 아치형으로 유지되지만, 반경은 감소한다. 그러나, 도 5a에서 가장 잘 보이는 길이 방향 단면에서, 채널은 편원(oblate) 또는 타원체 형상(oval- shaped)이 되며, 타원체의 단축은 프로펠러의 반경 방향으로 배향된다. 또한, 후방 표면(57)의 표면 길이는, 프로펠러의 전방 부분에서 개설된 것보다 훨씬 급속하게 이의 최대 지점의 후방으로 줄어든다. 이 표면은 그의 오목함을 보유하지만, 표면(57)에 의한 외측방 이동에 대해 동반되는 상대하는 표면 또는 볼륨과 같이 크게 감소된다. 유사하게, 이 지점에서 반경 방향 외측방 단부(53)는, 단면의 상대하는 원의 원에 대해 더 이상 거의 접선이 아니지만, 거기에 대해 훨씬 더 각지게 된다. 단면(B6)의 지점에 의해, 오목함은 감소되며, 내측방 치수는 작은 날개(41)의 나선형 채널에서 보유되었던 모든 물을 보다 쉽게 방출하기 위해서 감소된다.

더 후방에서, 볼륨은 급속하게 감소하며, 그리고 또한, 작은 날개는 길이뿐만 아니라 그의 아치형 연장을 감소하며, 좁은 블레이드렛(bladelet)의 에지의 배향각이 문제가 된다. B6에서, 에지의 어택의 측방향/비스듬한 컷팅 각도는, 대략 0°내지 접선으로 유지된다. 이후, B7에서, 어택의 측방향/비스듬한 컷팅 각도는 20° 내지 접선 원이다. B8에서, 이는 37°내지 접선이며, B9에서, 이는 약 40°내지 접선이며, 또는 유체가 측방향으로 손실되는 것을 여전히 방지하기에 가장 편리하고/효과적인 각도이다.

마지막으로, 단면B9에서, 작은 날개(61)의 트레일링 에지는, 여기서 유체를 유지하기 위해서 적절한 각도일 수 있으며, 또한 이는 아주 마지막에는 대략 0으로 바로 감소할 것이며 상대되었지만 일부 오목함이 존재하였던 볼륨에서 마지막의 소량의(bit) 물을 방출하고, 이러한 유체의 약간 후방으로의 단순한 방출이 존재하고, 피치는 샤프트(25) 및 프로펠러의 길이 방향 축에 대해 대략 0°이다.

도 15는 작은 날개들의 기하학적 형상을 그래프로 예시하며, 이전에 언급된 바와 같이, 이들 3개 전부는, 동일하거나 서로에 대해 축 둘레에서 단지 120°로 회전하여 이격된다. 프로펠러의 전방 단부가 원점(origin)이다. 그래프는, 0부터 L까지 그의 길이에 따라 변하는 각각의 작은 날개의 2 개의 파라미터들을 도시한다. 곡선(φ)은 샤프트(25)에 연결되는 작은 날개의 베이스의 중간지점의 프로펠러의 길이방향 축 둘레의 회전 위치를 나타내며, 곡선(τ)은 작은 날개의 에지(53)를 위한 회전 위치를 나타낸다. 이 그래프에서 설명된 치수들 및 비율들은, 예시적이며, 본 발명의 이익들을 여전히 제공하면서 여기에 도시된 예시로부터 실질적으로 바뀔 수 있다.

전방 팁에서, 중간지점 및 에지는 일반적으로 길이방향으로 정렬되어 연장하기 시작한다. 이의 약간 후방에서, φ 및 τ 양자 모두는, 샤프트 둘레에서 점진적으로 스파이럴식으로 휘며, 인테이크 부분이 시작됨에 따라 약 5° 내지 15°의 약간의 각도 분리를 갖는다.

중간 지점 곡선(φ)은 스파이럴 각도(φ1)에 의해 규정된 스파이럴링 경로로 단지 바로 연장하며; 이는 실시예에서 45°로 도시되며, 후방 단부까지 이러한 축 둘레 중간 지점 스파이럴들은 대부분의 길이에 대해 각도(pi)가 일정하며, 여기서 곡선(φ)의 스파이럴 피치 및 곡선(φ)은 급격한 각도, 예컨대, φ2로 변하며, 이 각도는 길이 방향에 대해 대략 25°이다. 마지막으로, 프로펠러의 후방 단부에서, 곡선(φ)은 프로펠러의 터미널 배기 부분에서 길이방향 축에 평행하게 정렬하도록 점차 구부러진다.

에지 커브(τ)는 φ 커브와 유사하게 휘어지지만, 처음에는 그의 약간 전방이고 이러한 실시예에서 약 35 도인 τ₁ 스파이럴 각도에 도달하도록 휘어진다. 에지 커브(τ)는 그의 길이의 대부분에 대하여 이러한 스파이럴 각도로 계속 이어지며, 연장된 부분 또는 신장부는 베이스 부분 중간 지점의 스파이럴에 대응하는 파선에 대한 곡선(τ)의 거리에 의해 나타난다. 프로펠러의 후방 단부 근처에, 소형 날개(winglet) 에지가 예컨대 40 내지 50 도 범위의 각도, 여기서는 48 도로 다시 가른다. 프로펠러의 단부에서, 커브(τ)는 길이방향에 평행하게 최종적으로 구부러지고 소형 날개는 0 의 반경방향 길이로 감소한다.

프로펠러의 단부에서의 스파이럴 각도들의 0 도로의 감소 또는 길이방향 축선에 대한 평행으로의 감소는 가능한 한 와류를 보정하기 위해 항상 바람직하다. 하지만, 속도 등에 있어서의 최대 출력 또는 최대 성능이 추구되는 변형예들에서, 또는 와류에 관한 주의가 없을 때, 각도는 도 80에서 보이는 실시예에서와 같이, 활성/프로펠링 세그먼트에 대한 것과 동일하게, 예컨대 45 도로 남아있을 수 있다.

베이스의 중간 지점과 에지 사이의 소형 날개의 형상은 일반적으로 아치형이고, 바람직하게는 커브(φ)에 평행한 축선 주위로 대각선으로 진행하는 스파이럴 라인으로 중심맞춤되는 아크이며, 아크는 보유 부분에서의 최대까지 점진적으로 증가한다. 아크는 그 후 타원형으로, 바람직하게는 그의 가로 폭의 1.5 내지 2 배의 길이방향 길이를 갖는 타원형으로 변형된다.

흡입 개구들에서의 축방향 강제 프로펠러(impelpropeller)의 커팅 에지의 구조, 형상 및 곡률 및 각도들은 모두 일치하며 동기화되고(서로에 대하여) - 이들 모두는 중심으로부터의 임의의 거리에서 커팅 에지의 공격 각도는 유입하는 유동들에 대한 가장 유익하고 효율적인 각도로, 적어도 회전 속도, 전진 속도 및 다른 필요들 및 디자인의 목적들을 기본으로 하여 그리고 이에 관한 모든 직선 또는 대각선으로 배향된다.

프로펠러가 회전할 때 이는 길이방향 중심선을 통하여 단면화될 때 도 83a, 도 83b 및 도 83c에 도시된 바와 같이 프로펠러의 외피, 프로파일, 외형 또는 윤곽의 2-D 측면도를 나타내는 특정 3차원 형상을 형성한다.

도 83a는 도 1, 도 4 및 도 5a의 회전 프로펠러(11)의 외피의 일반적인 윤곽도를 도시한다. 도 83b는 도 19 및 도 20의 회전 프로펠러(85)의 외피의 일반적인 윤곽도를 도시하고, 이는 또한 도 26의 회전 프로펠러의 외피의 윤곽과 유사하다. 도 83c는 도 30의 회전 프로펠러의 외피의 일반적인 윤곽도이다.

프로펠러의 프로파일의 전방 부분의 알파 공격 침투/관통 각도는 프로펠러가 그의 처음과 중심에서 유체를 관통하고 가르는 공격 각도의 절반이다. 전방 측에 구동 샤프트가 없는 한, 전방 포인트 또는 팁 및 알파 각도가 최적의 침투를 위해 가능한 한 날카로운 것이 바람직하다. 각도들은 예시들에서 이러한 변형들을 위한 예들이다.

일반적으로, 프로펠러의 경우 침투 각도는 중심에서 0 도에서 점진적으로 시작하고 그 후 매우 빠른 속도 버전들에 대하여 20 내지 35 도로 점진적으로 증가하고(숄더의 단부 또는 신장부의 단부 전에서 측정될 때 하지만 이는 또한 디자인, 필요들, 요건들 등에 관하여 또는 이들을 기본으로 한다); 빠른 속도 및 범용의 중간 속도 버전들 등에 대하여 35 내지 50 도로 증가하고, 최대 한계들은 알파에 대하여 10 도 내지 70 도이고 베타 각도에 대하여 최대 80 도이다. 극도로 높은 속도 버전들에서, 알파 각도는 5 도 정도로 낮을 수 있다.

스트림라인형 윤곽의 더 간단하고 더 신속한 버전을 위해, 전방에서의 알파 및 베타 각도들 그리고 후방에서의 감마 및 델타 각도들은 각각 동일할 수 있고 구분 가능하지 않을 수 있다(즉, 알파는 베타와 동일할 수 있고 감마는 델타와 동일할 수 있다). 하지만 더 넓은 프로펠러들 또는 더 큰 용적의 일부 분야들에 대하여, 윤곽은 더 복잡하고 각도들의 2 개의 쌍들은 서로 더 구별될 것이다.

프로펠러(11)를 위한 특별한 윤곽도가 도 5b에 도시되는 반면, 프로펠러(85)를 위한 특별한 윤곽도가 도 23에 도시된다.

본원에 나타낸 예시들에서 사용되는 것과 같은, 프로펠러의 간단한 가로 횡단면들은 프로펠러의 길이방향 축선에 수직이고 따라서 더 기다랗거나 타원형인데 이는 프로펠링 각도 또는 커팅 에지 또는 채널이 프로펠러의 길이방향 축선에 대하여 어떠한 각도, 심지어 45 도의 각도에 있기 때문이다.

하지만, 디자인 및 제작 목적들을 위해, 소형 날개 또는 채널 내측의 유동을 더 양호하게 이해하고 더 정확하게 설명하기 위해, 소형 날개의 가로 횡단면도가 프로펠링 각도/나선형 또는 커팅 에지에 대하여 수직인 (또한)참 횡단면으로 표현되는 것이 바람직하다.

이러한 도면이 하나의 복잡한 예시로 함께 배열되는 개별 가로 횡단면들로부터 만들어지며 - 이는 각각의 소형 날개에 대한 것이며 예시 평면 주위로 회전된다(예컨대 공격 각도 또는 나선형이 45 도인 경우에 45 도로). 이러한 도면은 소형 날개의 더 바람직한(또는 더 실제의) 형상 및 곡률을 더 정확하게 표현한다.

도 17b는 도 17a에서 이미 논의된 구성요소들과 유동들이 채널 내에서 어떻게 조합 및 통합되는지를 또한 도시하는 그러한 횡단면을 나타내며, 단면은 흡입 세그먼트에서 하지만 보유 세그먼트에 매우 가깝게 취해진다.

이상적인 디자인의 목적 및 목표는, 도 17c에 도시된 바와 같이, 유입 유동들(직선 또는 대각선)의 결과적인 복합 조합들이 이들의 동기화에서 각각의 채널 내측의 물의 가장 효율적인 전달 방식인 매끄러운 단일 회전 유동으로 발달하는, 특별한 소형 날개 또는 프로펠러의 특정한 주어진 업무 및 조건들에 대한 이러한 곡률을 생성하는 것이다. 이러한 유동은 동시에 바로 후방으로 배향된다.

따라서 소형 날개들이 세그먼트(B)에서 시작하고 세그먼트(C)에서 계속되어서 휘어지기 시작할 때, 채널의 내측 벽이 루트(root)(축에 부착되는 곳)에서 가능한 한 둥글고, 가능하다면, 3 개의 소형 날개 디자인들의 경우에서와 같은 것이 바람직하다. 소형 날개들의 개수가 증가할 때 루트에는 더 적은 공간이 있고 따라서 덜 둥근 것이 가능하다.

또한 세그먼트(D)에서 시작하고 그 후 출구를 향하여, 채널이 크기가 감소될 때, 루트(베이스의)의 내부 둥글기는 더 좁아진 형상으로 바뀌어서 채널 내측의 개별 비틀림이 제한되어야 하고 그 결과 유동이 회전으로부터 안정화되고 임의의 회전 이동 없이 바로 후방으로 보내질 것이 바람직하다. 종래 기술의 프로펠러들의 주요 문제는 이들이 공동 현상을 위한 조건들을 생성한다는 것이며, 이는 블레이드들의 팁들에서의 제 1 의 주변 공동 현상이고 블레이드들의 뒷부분에서의 제 2 공동 현상이며, 이는 블레이드들이 고정 유체에 대한 갑작스런 이동에서 물을 수직으로 가르는 사실로 인한 것이다. 물은 블레이드 본체의 나머지와 비교할 때 그의 팁들에서 프로펠러의 높은 주변 속도에 의해 강화되는 갑작스러운 효과를 경험하거나 대응한다. 공동 현상은 프로펠러의 최대 회전 레이트를 제한하는데, 이는 분당 회전의 특정 레벨 이상에서, 공동 현상이 시작되고, 노이즈, 진동 심지어 금속 블레이드들 자체의 치핑(chipping)을 초래하고 따라서 프로펠러의 잠재적인 기계적 손상들을 초래하기 때문이다.

본원에 도시된 프로펠러는 공동 현상 없이 30,000 rpm 또는 그 초과의 회전 속도들에서 작동될 수 있고, 이는 프로펠러가 비교적 더 작은 길이방향 횡단면을 갖는 것을 가능하게 하는 반면 여전히 베슬에 대한 큰 양의 추력을 발생하는 것을 가능하게 한다. 이는 또한 베슬의 더 에너지 효율적인 추진을 초래한다. 부가적으로, 종래 기술의 프로펠러들에 대조적으로, 본원에 나타낸 디자인의 프로펠러의 효율은 실제로 회전 속도의 증가에 따라 증가한다.

도 18은 본 발명에 따른 다른 매우 빠른 프로펠러를 위한 지지부의 대안적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 프로펠러(71)는 중앙 샤프트(73) 및 소형 날개(75)들을 갖는다. 샤프트(73)는 각각의 피봇팅 지지부 연결부(81 및 83)들에 지지되는 전방 단부(77) 및 후방 단부(79) 모두를 갖는다. 프로펠러(71)는 이러한 구조물(81 및 83)들 중 하나 또는 양자를 통하여 연결되는 도 1에 도시된 구동부와 유사한 구동 시스템에 의해 회전된다.

도 19는 본 발명의 프로펠러의 다른 대안적인 실시예를 도시한다. 프로펠러(85)는, 도시되지 않은 보트의 모터에 연결되고 이에 의해 회전되는 구동 샤프트(87)의 후방 단부에 고정식으로 장착된다. 프로펠러(85)는 전방을 바라볼 때의 시점에서 시계방향으로 회전하도록 구동된다.

이러한 프로펠러(85)는 보통 에너지 효율은 연료를 절약하는 것이 추구되는 유체의 더 큰 용적 그리고 더 큰 베슬들의 더 느린 속도들을 위하여 구성되거나, 정규 베슬들에서, 프로펠러는 도시된 이전의 실시예들보다 더 짧고 더 넓다.

이러한 버전은 빠른 그리고 중간 속도에 대하여 사용될 수 있고, 길이 대 직경비는 매우 빠른 속도 프로펠러(11)의 버전보다 더 높다. 성능 프로펠러(하지만 프로펠러(11)보다 더 낮음)는 여전히 더 작은 직경 그리고 더 높은 회전 속도들에 있는데, 이는 그의 길이 대 직경비 때문이며 이는 더 큰 직경의 구조 그리고 더 낮은 회전 속도를 또한 가능하게 하며, 따라서, 더 큰 치수들의 베슬들의 경우 추진될 유체의 더 큰 용적을 가능하게 한다.

에너지 또는 연료 소비에 주의하는 한 유체의 가장 효율적인 추진은, 유체의 큰 용적이 출구 유동으로 느리게 이동되고 최소의 에너지가 부여되며 따라서 손실될 때, 가장 느린 회전 속도 그리고 가장 큰 가능한 직경, 하지만 또한 가장 높은 토크에 의한 것이다. 하지만, 그러나 감소된 직경을 갖는 이러한 매우 동일한 디자인/실시예가 공동 현상 없이 높은 그리고 매우 높은 회전 속도들에서 매우 효율적인 추진이 여전히 가능하다.

프로펠러(85)는 프로펠러(11)와 매우 동일한 디자인 및 원리를 갖고, 단지 그의 치수들 또는 피처들 사이에서의 비율 및 비들이 상이하다. 이들 양자는 매우 스트림라인형 구조이지만; 제 1 실시예가 가장 스트림라인형이며, 따라서 더 높은 속도 성능이 가능하다.

프로펠러(85)의 경우에, 더 느린 속도에서 더 큰 크기의 디자인을 사용하는 이점들은 그의 유동의 형성에서 매우 에너지 효율적이며, 경제적이고 극도로 매끄럽다는 것이다. 그의 길이방향 축선을 중심으로 더 작은 직경을 갖고 매우 빠른 속도에서 더 작은 크기의 이러한 프로펠러의 구성을 사용하는 것은 종래 기술의 프로펠러들의 단점들을 여전히 회피하면서 매우 높은 베슬 속도들을 달성하는데 효율적이다.

프로펠러(85)들이 반경방향으로 넓기 때문에, 소형 날개들의 에지들은 더 멀고 블레이드의 에지들의 실제 속도는 회전될 때 더 높다. 종래 기술 프로펠러에 대하여, 물 유동의 속도가 더 높을수록, 공동 현상의 가능성이 더 높고, 이는 프로펠러 환경에서 매우 바람직하지 않다. 또한, 더 넓은 프로펠러는 그의 더 큰 외부 외피로 인해 더 많은 항력을 생성한다. 하지만, 도시된 실시예에 의해, 더 큰 직경으로 구성되고 에지들의 더 높은 회전 속도에서 유체의 더 큰 용적들을 이동시키더라도, 공동 현상은 여전히 발생하지 않는다.

약 20,000 rpm 또는 그 초과에서 운행할 수 있는 가스 터빈들을 사용하는 모든 최소 성능 보트들에 대하여, 프로펠러는 기어들 또는 다른 토크 또는 속도 감소기들에 대한 필요 없이 터빈에 직접 연결될 수 있다.

도 20 내지 도 22는 프로펠러(85)를 더욱 상세하게 도시한다. 프로펠러(85)는 3 개의 소형 날개들 또는 그 위의 블레이드 표면(91, 93 및 95)들을 지지하는 중앙 샤프트(87) 위에 형성되는 단일체 구조물이며, 이들 각각은 중앙 길이방향 축선을 중심으로 120 도의 회전으로 분산되거나 회전적으로 엇갈린다. 각각의 소형 날개는 각각의 전방 대면 표면(97) 그리고 일반적으로 스파이럴링 에지(101)에서 만나는 각각의 후방 대면 표면(99)을 갖는다. 소형 날개(91, 93 및 95)는 샤프트(87)로부터 나오는, 반경방향으로 넓고, 그 후 프로펠러(85)의 후방에서 샤프트(87)에 통합되도록 내방으로 테이퍼지는 이전의 실시예에서와 유사하며, 이는 날카로운 길이방향 포인트(103)로 끝나며 이는 프로펠러(85) 뒤에 후속하는 난류를 감소시킨다.

소형 날개(91, 93 및 95)의 구성은 도 23, 도 24a 및 도 24b에 가장 잘 도시된다. 이전의 실시예에서와 같이, 소형 날개들은 최초에 반경방향 외측으로 연장하기 시작하고 전방 부분(B)으로 길이방향 후방으로 연장한다. 소형 날개들이 반경방향으로 길어질 때, 이들은 오목하게 되고 그 후 이들의 오목부를 등지는 방향으로 스파이럴식이 되기 시작하며, 이들 각각은 후방 대면 채널 공간을 형성한다.

이전의 실시예에서와 같이, 전방 부분의 후방은, 대략 도 23의 횡단면(C₃ 내지 C₈)으로부터 흡입 부분을 시작한다. 이러한 흡입 부분에서, 에지(101)에서의 외부 표면(97)이 길이방향 축선 주위의 실린더에 접선(tangent)일 때까지 소형 날개들은 길이 및 회전의 축선을 중심으로 하는 탄젠트 원에 대한 에지(101)의 커팅 각도가 증가한다. 소형 날개 표면들은 전방 및 후방 표면(97 및 99)들의 물의 유동이 실질적으로 공동 현상이 없는 일치하는 유동인 각도에 있고, 물의 유동은 채널들 안으로 그리고 전방 표면(97)들에 걸쳐 지나간다. 소형 날개들에 의해 에워싸인 채널 공간은 단조적으로 그리고 흡입 부분에 걸쳐 후방으로 연속적으로 증가한다.

소형 날개들의 연장은 대략 섹션(C₈ 내지 C₉)(C₁₁ 보다는)들에서 보유 부분에 걸쳐 연속되고, 여기서 에지(101)는 커팅 에지로부터 물이 채널로부터 유동하는 후단 에지로 진행한다. 채널은, 에워싸이는 용적은 소형 날개의 길이 및 프로펠러의 직경의 증가에 따라 증가할 수 있지만, 상대 비율들에 있어서 동일한 구성을 유지한다. 프로펠러(85)의 그의 후방 부분에서의 더 갑작스러운 내방 테이퍼링으로 인해, 후단 에지에서의 내측 표면 그리고 심지어 그의 외측 표면은 후방으로 그리고 약간 내측으로 각이 지고, 이는 표면(97) 상의 물의 외부 유동이 길이방향에 대해 반경방향으로 예컨대 5 또는 10 도로 약간 내측으로 배향되는 것을 가능하게 한다. 유사하게, 내측 표면(99)은 또한 유동을 후방으로 그리고 약간 내측으로 배향한다.

반경방향 내측 각도는 단지 길이방향에 대한 것이다. 도 24a 및 도 24b의 C₈ 또는 C₉ 에서의 길이방향 축선에 법선인(normal) 횡단면으로부터, 인접한 에지(101)는 이러한 지점에서 길이방향 축선을 중심으로 하는 실린더에 대한 접선에 약 0 도에서 외부 표면(97)의 가로 횡단면을 갖고 끝나는 것을 쉽게 볼 수 있다. 이는 프로펠러가 회전하는 동안 일치하는 유동을 유지하고, 또한 이러한 보유 부분에서의 원심력 손실에 대항하여 채널 내의 물을 보유한다. 소형 날개들은 반경방향 내측 부분(107)에서와 같이, 에워싸인 통로의 반경을 갖는 아크에 가까운 커브 주위로 휘어지는 대신, 본질적으로 프로펠러의 길이방향 축선에 대한 반경방향 거리에 동일한 반경을 갖는 아치형 곡률을 갖는 연장된 부분(105)을 포함하기 위해 180 도의 아크를 넘어서 연장한다.

횡단면(C₉ 내지 C₁₀)에서 보이는 배기 부분에서, 에지(101)에 대한 반경방향 외측 거리는 감소하고, 소형 날개들의 더 큰 아크 형상 부분(107)의 길이는 짧아지기 시작하며, 이는 채널의 용적을 감소시키고, 이전의 실시예에서와 같이 내부의 물을 후방으로 추진한다. 기다란 더 큰 아크 형상 부분(107)은, 횡단면(C₁₄)에서 소형 날개가 간단하게는 채널 통로의 곡률, 즉 더 작은 아크 형상 부분(107)일 때까지 소형 날개들의 반경방향 크기에 따라 감소한다. 이러한 후방에서, 소형 날개들은 그 후 그의 단부(103)에서 단지 샤프트로 급격하게 아래로 테이퍼진다.

도 25는 도 19의 실시예의 변형을 도시하고, 여기서 프로펠러(104)는 도 1과 일반적으로 유사한 구성의 중앙 샤프트(108)의 후방 단부와 연결되는 회전 구동 샤프트 구조물(109)에 의해 지지된다. 프로펠러(104)의 전방 단부에는 이러한 실시예에서, 난류 없이 물을 관통하는 프로펠러(11)의 단부(23)와 유사한, 포인트형 단부(106)가 제공된다.

도 26은 프로펠러(85)와 많은 방식으로 유사하고, 유사한 특징들 및 성능을 갖는 프로펠러 시스템의 또 다른 실시예의 측면도이다. 도 27은 정면도이고 도 28은 도 26의 평면 B-B 으로부터 취한 전방을 바라보는 후면도이다. 도 29는 프로펠러의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취한 도 26의 프로펠러의 윤곽을 갖는 횡단 측면도이다.

프로펠러(85)와 유사하게 연구하면, 프로펠러(110)는 그의 전방 단부에서 물을 관통하는 팁(111), 그리고 소형 날개(115, 116 및 117)들을 갖고, 이들 모두는 구동 시스템(도시되지 않음)에 연결되는 샤프트(112) 상에 지지되고 이에 의해 구동된다. 프로펠러(110)는 전방을 바라볼 때의 시점에서 시계방향으로 회전하도록 구동된다. 프로펠러(110)는 이전의 실시예보다 더 점진적인 외측 외피 외형을 갖는다.

도 30은 다른 실시예의 측면도이고, 대략 45 도에서 외측으로 경사지는 원뿔형 진입 부분을 갖는 5 개의 소형 날개 프로펠러이다. 프로펠러는 더 큰 직경 및 더 갑작스러운 윤곽(또는 관통 및 종료 각도)을 갖는다. 이러한 프로펠러는 무거운 작업을 위해, 속도 보다는 높은 토크에 대하여 구성되는 이전의 실시예들보다 더 큰 직경 및 더 짧은 길이를 갖고 사용될 수 있는 중간 속도 버전이다. 도 31은 실시예의 정면도이고 도 32는 실시예의 후면도이다. 도 33은 그의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취해진 윤곽을 갖는 횡단 측면도이다. 도 34는 프로펠러의 평면(D₁ 내지 D₄)들에서의 횡단면들을 도시한다. 프로펠러(85)와 유사한 원리들에 대하여 연구하면, 이러한 실시예는 샤프트(121)를 갖고 그의 전방에서 소형 날개(125, 126, 127, 128 및 129)들 모두가 후방 샤프트(122)에 지지된다. 임의의 이러한 샤프트들은 구동 시스템에 연결될 수 있고 프로펠러는 전방을 바라볼 때의 시점에서 시계방향으로 회전하도록 구동된다.

도 35는 프로펠러(85)의 구조적 변형인 다른 실시예의 평면(E₁ 내지 E₈)들의 횡단면들을 도시한다. 실시예의 모든 부품들 및 치수들은 프로펠러(85)에서와 실질적으로 동일하고, 주로 유체 및 압력의 더 양호한 평형의 목적들을 위해 그의 외부 에지에서 벽의 약간의 벌징(bulging)이 있다. 횡단면(E₁ 내지 E₄)들은 소형 날개(135, 136 및 137)들에 대한 벽 두께의 발전을 도시한다. 횡단면(E₅) 후방으로부터, 벽 구조는 프로펠러(85)와 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 프로펠러는 전방을 바라볼 때의 시점에서 시계방향으로 회전하도록 구동된다.

도 36은 프로펠러(85)의 또 다른 변형의 횡단면(F₁ 내지 F₈)들을 도시한다. 프로펠러(85)의 구성과 모든 것이 유사하지만, 소형 날개 벽이 횡단면들로 볼 때 그의 시작에서 더 두껍게 구성된다. 유체 압력의 평형의 목적들을 위해 횡단면(F₁ 내지 F₄)들에서 볼 때와 같이, 그의 시작에서 벽의 벌징이 있고, 이는 소형 날개(145, 146 및 147)들에 대한 벽 두께의 발전을 도시한다. 횡단면(F₅) 후방으로부터, 프로펠러 구조 소형 날개들은 프로펠러(85)와 유사하고, 비교적 날카로운 후단 에지들을 갖는다.

도 37은 프로펠러(11)와 유사하게 구성된 프로펠러를 위한 프로펠러 시스템의 또 다른 실시예의 측면도이고, 이는 높은 속도 또는 범용을 위한 워터젯 구성으로 수납된다. 이러한 환경은 프로펠러(11)와 같은 3 개의 소형 날개 프로펠러를 수납하고, 메인 추진 각도는 45 도이다. 프로펠러를 위한 구조적 하우징은 통상적인 워터젯 셋업의 모든 구성요소들을 갖고, 즉 흡입 개구, 내장 구조 및 고물 안정화 또는 보정 블레이드들 또는 베인들을 갖고, 다른 것들 중에서도, 더 긴 프로파일을 갖는, 프로펠러(11)와 같이 구성된 프로펠러 그리고 더 높은 회전 및 전진 속도들에서의 사용을 위한 모든 적절한 적응을 갖는다.

도 38은 워터 제트 구조물의 일반적인 관형 내부 통로의 내부를 보여주는 도 37의 실시예의 정면도이고 도 39는 도 37의 실시예의 후면도이다. 도 40은 프로펠러의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취한 횡단면도이다. 도 41은 도 40에 도시된 바와 같이, 프로펠러의 회전 축선에 대해 수직한 평면(G₁ 내지 G₅)에서 도 37의 프로펠러 및 주변 구조물의 횡단면을 도시한다.

도 37 및 도 40에 최상으로 도시된 바와 같이, 방향(158)으로 이동하도록 물(150)에 떠있는 선박(159)은 전방에 흡입 개구(153) 및 후방 단부에 배출 출구(155)를 구비한 워터제트 인클로저(152)를 갖는다. 인클로저(152) 내에서, 워터제트 시스템의 구조물은 프로펠러가 이의 전방 단부 및 후방 단부 둘다에서 회전되게 지지되고 이의 전방 단부에 포인트(point)를 갖지 않지만 샤프트(151) 및 샤프트를 통하여 또한 추진 구획부의 앞에 위치된 구동 시스템에 연결된다는 점에서 회전프로펠러(11)(도 1 참조)와 상이한 프로펠러(11a)를 포함한다. 프로펠러(11a)의 후방 단부는 워터제트 인클로저(152)의 후방 부분에서 자유 회전을 위해 지지된다. 프로펠러(11a)는 전방에서 볼 때 시계 방향으로 구동된다.

물이 프로펠러의 회전에 의해 프로펠러(11a)에 의해 흡입부(153)를 통하여 흡수되고 8개의 안정화 베인(154)들에 의해 안정화되고, 안정화 베인은 단부에서 또한 배출 유동을 후방으로 지향시키고 배출 유동은 배출 출구(155)를 통하여 추진되고 후방으로 직선 방향으로 추진된다.

도 42는 45도에서 주요 추진 각도를 갖지만 삽관부(intubation; 163)을 구비한, 도 1의 프로펠러(11)와 유사한 3개의 작은 날개 프로펠러의 매우 높은 속도 또는 초초고속(ultra-high speed) 변종인 프로펠러의 다른 실시예의 측면도이다.

도 42의 프로펠러는 프로펠러(11)와 구조적으로 유사하지만 이 프로펠러의 후방 부분에 삽관부(163)가 작은 날개(165, 166 및 167)들의 대략 가장 큰 직경의 지점에서 시작하여 이로부터 후방으로 부착되어 프로펠러로부터 물의 후방 추진을 지향시키는데 도움이 된다. 삽관부는 작은 날개들로부터의 모든 개별 유동들이 조합되는 라운드 채널 또는 테이퍼지는 원추형 내부 통로를 형성하는 후방으로 테이퍼진 절두 원추형이다. 삽관 구조물(163)은 동시에 배출 출구(164)를 통하여 가능한 가장 작은 횡단면까지 배출 유동의 집중을 최대화한다. 테이퍼진 절두 원추형의 외측 표면 형상은 또한 어떠한 항력도 더욱 더 감소하여 임펠프로펠러(impelpropeller) 구조물을 더욱 더 유선형이 되게 하고 이에 따라 프로펠러(11)의 전체 성능을 최대화한다.

삽관부(163)는 날카로운 선행 에지에 의해 형성된 점진적인 흡입 개구를 갖는다. 삽관부는 흡입 개구들에서 작은 저항을 생성하도록 작은 날개들의 형상에 순응하고 적응하며, 흡입 개구들을 형성하는 선행 에지들 위의 물 유동을 확인한다. 이러한 설계는 매우 높은 속도들에 대해 최상으로 적응된다.

도 43은 동일한 실시예의 정면도이고 도 44는 이의 후면도이다. 도 45a는 이의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취한 윤곽을 갖는 횡단면도이다. 도 46은 프로펠러(11)에 대한 것과 동일하지만 삽관부(163)가 부가된 횡단면(H₁ 내지 H₁₄)들을 도시한다. 도 1의 프로펠러(11)와 동일한 구조를 기초로 하여, 이 실시예는 구동 시스템에 연결되는 후방 샤프트(162)에 의해 모두 지지되는 전방 팁(161) 및 작은 날개(165, 166 및 167)들을 갖는다. 프로펠러는 전방에서 바라 볼 때 시계 방향으로 회전하도록 구동된다.

도 47은 도 30의 프로펠러와 유사한 또 다른 프로펠러 실시예의 측면도이다. 더 큰 직경의 45도의 추진 세그먼트 각도(propelling segment angle) 및 도 30의 프로펠러의 연장부와 동일한 길이의 더 급하거나 덜 날카로운 외피 윤곽 관통 및 에딩 각도(a more abrupt or less acute envelope outline penetration and ending angle)를 가지지만 연장부 대신 짧은 삽관부(173)를 갖는 5개의 작은 날개 프로펠러의 일 예이다. 도 47의 프로펠러는 동일한 듀티(duty)들에 대해 사용될 수 있고, 도 30의 프로펠러의 성능과 동일한 성능을 갖는다.

도 48은 도 47의 프로펠러의 정면도이고 도 49는 이의 후면도이다. 도 50은 이의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취한 윤곽을 갖는 횡단면도이다. 도 51은 도 47의 프로펠러의 회전 축선에 대해 수직한 횡단면도(I₁ 내지 I₄)를 도시한다. 삽관부(173)는 그 주위에 날카로운 선행 에지를 구비하고 그의 전방에 둥근 흡입 개구 뿐만 아니라 그 주위에 날카로운 후행 에지를 구비하고 후방(174)에 둥근 배출 출구를 갖는다. 삽관부의 외측 및 내측 표면들은 곡선형이고 일반적으로 프로펠러의 외측 외피의 곡률을 따른다.

프로펠러(85)의 원리들과 유사한 원리들로 작동하지만, 본 실시예는 프로펠러를 통하여 후방 샤프트(172)로 연장하는 전방 샤프트(171)를 가지며, 샤프트 위에 작은 날개(175, 176, 177, 178 및 179)들이 모두 지지된다. 샤프트(171 및 172)들 중 어느 하나 또는 둘다는 구동 시스템에 연결되고, 프로펠러는 후방으로부터 전방을 바라볼 때 시계 방향으로 회전하도록 구동된다.

도 52는 T자 섹션의 작은 날개 에지들을 구비한 프로펠러의 후방 및 전방으로 대칭이고 역추진 가능한(reversible) 실시예의 측면도이다. 이러한 실시예는 선박을 전방 또는 후방 어느 방향으로도 구동하기 위해 사용될 수 있고, 고속 또는 규정 속도 중 어느 하나를 위해 설계된다. 이는 후방/전방 대칭이기 때문에, 이의 효율은 어느 방향으로도 동일하다.

도 53은 도 52의 프로펠러의 정면도이고 도 54는 이의 후면도이다. 도 55는 이의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취한, 윤곽으로서 회전하는 프로펠러의 외피를 구비한, 횡단면도이다. 도 56은 도 52의 프로펠러의 회전 축선에 대해 수직한 횡단면(J₁ 내지 J₉)들을 도시한다.

작은 날개(185, 186 및 187)들은 어느 한 반부가 전방 또는 후방으로 지향될 수 있고 각각의 반부가 다른 반부의 반영(reflection)이 되는 방식으로 구조화된다. 연장부가 커팅 에지의 양 측면들 상에서 (길이 방향으로) 연장하기 때문에, 커팅 에지의 중심에서 도 56의 횡단면(H₅)에서 또는 도 55의 길이 방향 횡단면에서 최상으로 볼 수 있는 바와 같이 T자 섹션의 횡단면(184)을 형성한다. 작은 날개들은 일단부가 샤프트(181)에 그리고 타단부가 샤프트(182)에 부착되고 이중 어느 한 샤프트는 구동 시스템에 연결될 수 있다.

양 방향들로 회전될 수 있다. 도시된 작은 날개 구조의 구성에 대해, 전진하는 (전방) 단부는 타단부로부터 전방으로 본 바와 같이 프로펠러의 시계 방향 회전에 의해 주어지고, 이러한 구성은 우측 프로펠러로서 설명될 수 있다.

도 57은 프로펠러, 프로펠러의 연장부를 대체하는 벌버스 노우즈(bulbous nose) 및 작은 삽관부를 갖는 범용 프로펠러의 또 다른 실시예의 측면도이다. 이러한 프로펠러는 고속 또는 규정 속도로 사용하기에 적합하다.

도 58은 도 57의 실시예의 정면도이고 도 59는 이의 후면도이다. 도 60은 가상의 윤곽으로 도시된 회전 외피를 구비하고 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취해진 횡단면도이다. 도 61은 도 57의 프로펠러의 수직한 횡단면(K₁ 내지 K₉)을 도시한다. 도 57 및 도 60에 도시된 바와 같이, 다소의 벌버스 노우즈(191)는 전방 부분에 있으며 이로부터 작은 날개(195, 196 및 197)가 시작한다. 작은 날개(195, 196 및 197)들은 소형 삽관부(193)를 구비한 이들의 최대 직경에 연결되고, 이 삽관부는 둥근 흡입 개구(190) 및 둥근 배출 출구(194)를 가지며 프로펠러의 회전 외피 외형을 일반적으로 따르는 외부 표면 및 내부 통로 표면을 구비한 개재 구조를 구비한다. 전체 구조물은 샤프트(192)에 의해 지지되어 구동 시스템에 연결되고 전방으로 바라 볼 때 시계 방향으로 회전하도록 구동된다. 도 62는 도 62 내지 도 66에 의해 최상으로 도시된 바와 같이 프로펠러의 배출 부분에서 반경 방향으로 더 넓게 테이퍼지고 이어서 프로펠러의 내측 후방으로 테이퍼지는 솔리드 형상부인 샤프트 둘레에 부착되는 작은 날개들을 구비한 다른 실시예의 측면도이다. 솔리드 형상부의 가장 넓은 부분의 주변에 있는, 작은 날개 채널들의 배출 출구는 넓다. 상기 프로펠러는 연장부와 함께, 45도의 추진 세그먼트 각도를 구비한 3개의 작은 날개 프로펠러이다. 더 넓은 배출 출구는 배출 유동이 측면으로 확대되기 때문에 더 큰 가속을 생성한다. 이러한 실시예는 고속 또는 정규 속도 및 성능에 적합하다.

도 63은 프로펠러의 정면도이고 도 64는 이의 후면도이다. 도 65는 회전 외피 윤곽을 구비하고 이의 회전 축선을 통해 연장하는 수직 평면을 통하여 취한 횡단면도이다. 도 66은 수직한 횡단면(L₁ 내지 L₉)들을 도시한다. 작은 날개(205, 206 및 207)들은 전방에서 전방 샤프트(201)에서 시작하고 이어서 솔리드 형상부(208)에 부착되며, 이 솔리드 형상부는 반경방향 외측으로 그리고 이어서 내측으로 테이퍼지고 내측에서 솔리드 형상부는 샤프트(202)에서 종료된다. 샤프트(201 또는 202)들 중 어느 하나는 구동 시스템에 연결될 수 있다. 유체는 후방으로 추진되지만 또한 대략적으로 L6 횡단면의 위치에서 약간 측면 방향 외측으로 추진된다. 프로펠러는 전방에서 바라볼 때 시계 방향으로 회전하도록 구동된다.

도 67은 프로펠러(11)에 유사하지만 고정식, 비-회전 프레임 또는 그릴(211) 내에서 이의 양 단부들에서 둘러싸고 회전 가능하게 부착되는 프로펠러의 버전의 측면도를 도시한다. 프로펠러의 전방 및 후방 단부들은 프레임 내부의 프로펠러를 회전하는 프레임을 통하여 연장하는 샤프트가 구동 시스템에 연결된다. 상기 프레임은 둘러싸인 프로펠러의 내측 및 외측 유동을 안정화한다.

이러한 버전에서 고정식 프레임(211)은 베인들을 가지며 이 베인들은 직선형으로 시작하여 길이 방향 축선에 대해 평행하지만 이어서 중간 섹션에서 회전하는 프로펠러(11)의 회전에 대해 대응 각(counter angle)으로 배향된다. 후방 단부 앞에서, 베인들은 다시 직선형이 된다. 또한 프레임(211)을 통합하는 외측 상에 프레임의 중간에 삽관부(213)가 있다. 이 같은 프레임을 갖는 실시예는 이의 단부들 또는 삽관부(213)에서 선박에 부착될 수 있다.

프레임(211)은 흡입 출구들을 향하여 그리고 흡입 출구들 둘레로의 직선형 유입 유동을 유지하고 단부에서 프레임은 배출 출구들에서 유동을 정정하지만, 중간에서 삽관부(213)는 유동을 내측에 유지하여 이의 바디 둘레에 유선을 유지한다. 이는 또한 그 안의 회전하는 프로펠러를 보호한다. 이러한 시스템은 고속 또는 정규 속도 중 어느 하나에 적합하다.

대안적으로, 프레임의 전체 베인 구조는 직선형일 수 있고 프로펠러의 길이 방향 축선에 대해 평행하다.

도 68은 도 67의 프로펠러의 정면도이다. 도 69는 프레임(211) 내에 장착된 프로펠러를 도시하며 이는 길이 방향 중심선을 따라 섹션화며, 도 70은 도 67의 프로펠러 시스템의 후면도를 도시한다.

도 71은 도 67의 프로펠러의 수직한 횡단면(M₁ 내지 M₆)을 도시한다. 프레임 내의 프로펠러의 회전은 후면으로 보는 바와 같이 시계 방향이다.

도 72는 길이 방향 횡단면도에서 도 67 내지 도 71의 프로펠러 시스템과 유사한 프로펠러 시스템의 다른 실시예을 도시한다. 도 73은 도 72의 프로펠러 시스템의 정면도이고 도 74는 이의 후면도이다. 프레임(212)의 제 1 반부의 베인들은 삽관부(214)가 시작하는 부분에서 종료되고 프레임의 제 2 반부의 베인들은 삽관부(214)가 종료하는 부분으로부터 후방으로 연속한다. 삽관부(214)는 도 67의 실시예에서보다 프로펠러(11)에 더 근접하게 위치 설정된다. 프레임 내의 축방향 임펠프로펠러(11)의 회전은 후방으로부터 볼 때 시계 방향이다.

도 75는 중심에서 구멍이 형성된 작은 날개들을 갖는 역추진 가능하고, 대칭적인, 코어리스(coreless) 프로펠러 실시예의 측면도를 도시하며, 상기 프로펠러는 이의단부에서 회전하는 샤프트(221 및 222)들에 부착된다. 45도의 영각(an angle of attack)을 갖는 추진 세그먼트를 구비하고 약간의 연장부를 구비한 3개의 작은 날개 프로펠러이다. 프로펠러가 역추진 가능하고 대칭이기 때문에, 동일한 효율을 가지고 양 방향들로 작동될 수 있고 고속 또는 정규 속도 및 성능을 위해 사용될 수 있다.

도 76은 도 75의 프로펠러의 정면도를 도시하고 도 77은 이의 후면도를 도시한다.

도 78은 이의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취한 도 75의 프로펠러의 회전하는 외피 윤곽을 갖는 길이 방향 횡단면도이다. 도 79는 프로펠러의 프로펠러의 수직 평면 횡단면(N₁ 내지 N₉)을 도시한다. 작은 날개(225, 226 및 227)들은 어느 한 반부가 전방 또는 후방으로 지향되고 각각의 반부가 다른 반부의 반영이 되도록 구조화된다. 길이 방향 중심에서, 작은 날개(225, 226 및 227)들의 커팅 에지는 도 79의 횡단면(N₅)에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 가팅, 횡단면이 이중-에지들을 갖는 납작한 섹션을 형성한다. 작은 날개들이 역추진 가능하기 때문에 작은 날개들은 연장부를 갖지 않는다. 작은 날개(225, 226 및 227)들은 일단부가 샤프트(221)에 부착되고 타단부가 샤프트(222)에 부착되고, 어느 한 샤프트는 구동 시스템에 연결될 수 있다. 회전은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향일 수 있다. 도시된 작은 날개 구조의 형상에 대해, 전진하는 (전방) 단부는 타단부로부터 전방으로 바라볼 때 프로펠러의 시계 방향 회전에 의해 주어지며, 이러한 실시예는 우측 프로펠러로서 설명될 수 있다.

도 80은 매우 높은 속도 또는 초초고속에서의 사용을 위해, 프로펠러의 또 다른 실시예의 측면도이다. 도시된 프로펠러는 프로펠러(11)의 변형이며(도 1 참조), 후방 반부가 삽관형일 수 있고, 이는 도 42의 프로펠러와 유사하게 연장부를 대체한다. 이러한 실시예의 차이는 배출 소용돌이 유동이 제어할 또는 수정할 우려가 없기 때문에 이의 후방 단부에서 작은 날개들의 윤곽의 제 2 반부의 테이퍼링이 없다.

오히려, 작은 날개들은 추진을 최대화하기 위해 단부까지 내내 동일한 45도의 영각으로 단부까지 계속한다. 도시된 실시예는 성능 및 속도에 특히 적합하다. 삽관부는 배출 유동을 집중시키고 동시에 더 빠른 전진 속도에 대해 이의 몸체 둘레로 형성하는 외측 유동을 유선화한다.

이러한 실시예의 정면도는 도 42의 프로펠러의 도 43에 도시된 정면도와 동일하다. 도 82는 이의 회전 축선에 대해 수직한 도 80의 프로펠러의 횡단면(O₁ 내지 O₅)들을 도시한다. 도 81은 이의 회전 축선을 통하여 연장하는 수직 평면을 통하여 취한 도 80의 프로펠러의 윤곽을 구비한 길이방향 횡단면도이다. (삽관부의 시작에 대한) 제 1 반부는 도 1의 프로펠러(11)와 실질적으로 동일하다. 작은 날개(235, 236 및 237)들은 전방 팁(231)에서 시작하고 구동 시스템에 연결되는 샤프트(232)에서 종료된다. 삽관부(233)는 배출 출구(240)를 구비한, 가능한 가장 작은 횡단면까지 배출 유동의 집중을 최대화하고 이에 따라 한 층 더 어떠한 항력도 감소시켜, 이의 구조를 한층 더 유선화하고 이에 따라 프로펠러(11)의 전체 성능을 최대화한다.

삽관부(233)는 적은 저항을 생성하도록 작은 날개들의 형상에 순응하는 점진적인 흡입부를 갖는다. 이러한 설계는 매우 높은 성능 및 초고속(super-high speed)들에 특히 적합하다. 프로펠러는 전방에서 바라 볼 때 시계 방향으로 회전하도록 구동된다.

흡입 및 배출 부분들을 가지고 적절하게는 그 사이에 유지 부분을 가지는 작은 날개들을 이용하는 다른 구조물들이 구상될 수 있다. 또한 다른 목적들은 화학 공업 배경에서 용기 내의 유체를 가속화하는 것과 같이 물 위에서 선박들을 이동시키는 것 외에, 또는 액체의 효율적인 이동이 바람직한 다른 환경에서 본 발명의 유체 추진 설계들에 의해 달성될 수 있다.

펌프들이 본질적으로 프로펠러들을 둘러싸기 때문에, 다양한 축방향 펌프들이 여기서 제시되는 원리들 및 설계들을 기초로 하여 설게되며, 펌프 하우징, 엔클로저 또는 챔버들, 지향성 또는 수정 베인들, 등과 같은 필요한 부가 부품을 모두를 포함한다.

전술된 설명은 본 발명의 예시이며, 제한하는 것으로서 고려되지 않아야 하며, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 본 발명의 수정들 및 변화들이 당업자들 앞에서 이러한 개시물에 의해 당업자에게 용이하게 명백하게 되어야 하기 때문에 개시물의 용어들은 제한이 아닌 설명의 용어들로 봐야 한다.

Claims (25)

1. 이동의 전방 방향으로 수중에서 부양 몸체를 추진시키기 위해 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있고 상기 수중에 실질적으로 완전히 잠수되도록 부양 몸체에 지지되는 프로펠러로서,
   상기 프로펠러는 회전 축선을 중심으로 한 회전을 위해서 부양 몸체에 지지되는 복수의 작은 날개(winglet)들을 포함하며,
   각각의 상기 작은 날개들은 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형 경로로 연장하며 일반적으로 후방으로 향하는 제 1 표면 및 일반적으로 전방으로 향하는 제 2 표면을 가지며,
   각각의 작은 날개의 제 1 표면 및 작은 날개들의 각각의 다음에 인접한 작은 날개의 제 2 표면은 이들 사이에 회전 축선 주위에 일반적으로 나선형으로 연장하는 유체 통로 공간을 형성하며, 상기 유체 통로 공간은 작은 날개의 반경 방향 내측의 공간으로서 정의되는 가변 용적을 가지며,
   작은 날개의 전방 부분에서, 유체 통로 공간의 용적은 후방으로 연속적으로 증가하며,
   작은 날개의 후방 부분에서, 유체 통로 공간의 용적은 후방으로 연속적으로 감소하는,
   프로펠러.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 작은 날개들은 회전 축선 위에 놓이는 길이방향으로 연장하는 샤프트 상에 고정되게 지지되는,
   프로펠러.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 표면은 회전 축선에 인접한 반경방향 내측의 기단부 부분으로부터 그로부터 후방으로 그리고 반경방향 외측으로 이격된 반경 방향 외측 말단부 부분으로 연장하며, 상기 제 1 표면은 프로펠러의 적어도 길이방향 부분에 걸쳐서 기단부와 말단부 부분들 사이에서 오목한,
   프로펠러.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 표면은 전방 부분과 후방 부분 사이의 길이방향 부분에서, 제 1 표면이 유체 통로 공간 내의 물이 프로펠러로부터 멀어지는 반경방향 외측으로의 이동에 대해 제 1 표면에 의해 운반되도록 형성된 유체 통로 공간의 적어도 절반을 반경방향 내측으로 둘러싸도록 후방으로 연장하며, 상기 제 1 표면은 실질적으로 부분 원형 또는 타원 형상인 유체 통로 공간의 중심선을 따라 취한 횡단면을 가지는,
   프로펠러.
5. 제 3 항에 있어서,
   그의 말단부 부분에 있는 제 1 표면은 프로펠러의 외측으로 배출되는 물이 제 1 표면을 따라 유동하게 되도록 그리고 후방으로 지향되도록 회전 축선에 대해 10도 미만의 경사 각도로 외측으로 그리고 후방으로 연장하는,
   프로펠러.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 표면은 프로펠러의 반경방향 외측으로 이동되는 물이 제 1 표면을 따라 유동하게 되도록 그리고 후방으로 재-지향되도록 회전 축선에 대해 대략 0도 의 각도로 외측으로 그리고 후방으로 연장하는,
   프로펠러.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 2 표면은 회전 축선에 인접한 기단부 부분 및 그의 후방으로 그리고 반경방향 외측으로의 말단부 부분을 가지며, 상기 제 2 표면은 프로펠러의 적어도 상기 길이방향 부분에 걸쳐서 기단부 부분과 말단부 부분 사이에서 전방으로 볼록한,
   프로펠러.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 작은 날개의 제 1 표면은 상기 표면을 따르는 길이를 가지며, 상기 길이는 작은 날개의 길이방향 전방 단부에서의 0 또는 거의 0의 초기 길이로부터 작은 날개의 길이방향 중간 위치에서의 최대 길이로 증가하며, 그 후에 그의 길이방향 후방 단부에서 0 또는 거의 0의 말기 길이로 감소되는,
   프로펠러.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제 1 표면은 길이방향 전방 단부에서 일반적으로 평탄한 횡단면이며 중간 위치에서 전체 길이에 걸쳐 오목한,
   프로펠러.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 작은 날개가 그의 전방 부분에 있는 유체 통로 공간의 물과 마주치고 그 물을 수집하며 작은 날개의 후방 부분에 있는 물을 운반하고 배출하도록 그의 후방의 그리고 길이방향 중간 위치에 있는 유체 통로 공간의 횡단면적의 적어도 50%를 둘러싸며 그의 전방의 유체 통로 공간의 용적의 50% 미만을 둘러싸는,
    프로펠러.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 작은 날개들은 3 개의 작은 날개들을 포함하는,
    프로펠러.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 통로 공간은 작은 날개의 후방으로 증가하는 피치를 갖는 나선 경로로 회전 축선의 주위에서 나선형으로 연장하는,
    프로펠러.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 작은 날개들은 그와 함께 회전을 위해 지지되고 작은 날개들을 에워싸는 일반적으로 관형 외측 구조물을 상부에 지지하며, 상기 관형 외측 구조물은 통로를 형성하고 작은 날개들에 의해 이동되는 물의 유동을 상기 통로를 통과하는 후방 방향으로 지향시키는 내향 표면을 가지며, 상기 관형 외측 구조물은 일반적으로 원추형이며 내부에 일반적으로 원형 출구를 형성하는 후방 부분으로 후방으로 테이퍼진,
    프로펠러.
14. 수중에서 부양 몸체를 추진시키기 위해 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있고 상기 수중에 완전히 잠수되도록 부양 몸체에 지지되는 프로펠러로서,
    상기 프로펠러는
    상기 부양 몸체에 회전가능하게 지지되고, 전방의 전방 단부 및 후방의 후방 단부를 가지며, 길이방향 축선을 중심으로 회전하도록 구동되는 샤프트, 및
    서로에 대해 회전가능하게 엇갈리게 배치되고 상기 샤프트에 지지되고 상기 샤프트 주위로 일반적으로 나선형 경로로 연장하는 3 개의 추진 구조물들을 포함하며,
    각각의 상기 추진 구조물들은 반경방향 내측 단부 부분으로부터 외측 에지 부분으로 유체 접촉 표면을 따라 측정한 표면 폭을 갖는 유체 접촉 표면을 가지며,
    상기 유체 접촉 표면은 전방 결합 부분, 중간 유체 운반 부분, 및 후방 배출 부분을 가지며,
    상기 유체 접촉 표면의 표면 폭은 결합 부분으로부터 중간 유체 운반 부분으로 증가하며 중간 유체 운반 부분으로부터 배출 부분으로 감소하며,
    상기 중간 유체 운반 부분 내의 유체 접촉 표면은 오목하며 나선형 유체 유동 용적을 반경방향 내측으로 둘러싸도록 내측으로 그리고 후방으로 배치되며, 상기 유체 접촉 표면은 길이방향 축선에 수직한 평면에서의 그의 횡단면이 적어도 유체 접촉 표면의 반경방향 외측 연장 거리만큼 큰 거리로 곡선으로 후방으로 연장하는 그러한 형상인,
    프로펠러.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 추진 구조물들의 나선형 경로는 중간 운반 부분으로부터 배출 부분으로 피치가 증가하는,
    프로펠러.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 추진 구조물들은 서로에 대해 회전 축선을 중심으로 대략 120도의 회전만큼 회전가능하게 엇갈리게 배치되는,
    프로펠러.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 유체 접촉 표면의 표면 폭은 추진 구조물의 전방 단부로부터 대략 0.6 내지 0.8 L인 지점에서 추진 구조물의 전방 결합 부분으로부터 중간 운반 부분에 있는 최대 표면 폭으로 테이퍼지게 증가하며, 상기 L은 추진 구조물의 전체 길이방향 길이인,
    프로펠러.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 유체 접촉 표면의 표면 폭은 상기 최대 표면 폭으로부터 추진 구조물의 후방 단부에서 약 0으로 테이퍼지게 감소되는,
    프로펠러.
19. 제 14 항에 있어서,
    상기 유체 접촉 표면은 길이방향 축선에 수직한 평면에서 그의 횡단면이 유체 접촉 표면의 반경방향 외측 연장 거리보다 적어도 1.5배 큰 거리로 후방으로 곡선으로 연장하는 그러한 형상인,
    프로펠러.
20. 제 14 항에 있어서,
    상기 중간 부분에서의 추진 구조물의 횡단면은 외측으로의 말단부를 가지며, 상기 유체 운반 표면은 길이방향 축선을 중심으로 한 원에 대한 접선에 대해 0 내지 5도의 내향 각도를 형성하는,
    프로펠러.
21. 이동의 전방 방향으로 부양 몸체를 추진시키도록 수중의 상기 부양 몸체에 지지되는 프로펠러로서,
    상기 프로펠러는 길이방향으로 연장하는 회전 축선을 중심으로 함께 회전하도록 서로에 대해 고정되게 지지되는 복수의 작은 날개들을 포함하며,
    각각의 상기 작은 날개들은 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형으로 연장하는 작은 날개 몸체 부분을 포함하며 일반적으로 전방으로 배치되는 전방 표면 및 일반적으로 후방으로 배치되는 후방 표면을 가지며, 상기 전방 및 후방 표면들은 상기 회전 축선을 중심으로 일반적으로 나선형으로 또한 연장하는 작은 날개와 에지와 예각으로 만나며,
    상기 후방 표면은 후방으로 오목한 후방 표면이 채널의 최전방 부분에 최전방 채널 표면 부분을 가지도록 작은 날개 몸체 부분의 후방으로 일반적으로 후방을 향하는 채널을 형성하기 위해서 작은 날개의 길이방향 길이의 적어도 길이방향 부분 전반에 걸쳐 오목한 형상이며,
    상기 길이방향 부분은 전방 흡입 부분, 그의 후방의 보유 부분, 및 보유 부분의 후방의 추진 부분을 포함하며,
    상기 흡입 부분에서, 작은 날개 에지는 프로펠러가 회전할 때 작은 날개 에지가 전방 및 후방 표면들 전반에 걸쳐 작은 날개 에지로부터 적합한 유동으로 수중으로 통과하고 물의 일부가 채널 내측으로 유동하며,
    상기 흡입 부분으로부터 보유 부분으로, 후방 표면의 최후방 채널 표면 부분 및 작은 날개 에지가 비스듬히 후방으로 연속적으로 연장하며, 상기 작은 날개 에지는 최전방 채널 표면 부분보다 더 급격하게 비스듬히 후방으로 연속적으로 연장하며, 상기 후방 표면은 넓어져서 보유 부분 내에서 더 넓어지도록 채널을 형성하며,
    상기 보유 부분에서, 작은 날개 에지는 그에 연속적인 후방 표면이 예각보다 더 크지 않은 만큼 길이 방향과 상이한 방향으로 후방으로 연장하도록 지향되며,
    상기 추진 부분에서, 채널은 보유 부분보다 더 좁게 되는,
    프로펠러.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 작은 날개들은 프로펠러의 중심 샤프트에 고정되게 부착되고 그로부터 외측 측면으로 연장하는,
    프로펠러.
23. 제 21 항에 있어서,
    상기 작은 날개들은 흡입 부분에서 외측으로 원추형으로 테이퍼지고 추진 부분에서 반경방향 내측으로 그리고 후방으로 좁아지는 프로펠러 외형을 형성하는,
    프로펠러.
24. 제 21 항에 있어서,
    상기 최전방 표면 부분은 후방으로 더 가파르게 연장하는,
    프로펠러.
25. 제 21 항에 있어서,
    상기 작은 날개들은 관형 프로펠러 구조물의 내측 표면에 고정되게 지지되고 그로부터 반경방향 내측으로 연장하는,
    프로펠러.

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