KR20160025492A - 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디퓨저/컨퓨저; 스티어링 제어 노즐 어셈블리; 및 레이디어스를 포함하는 해양 선박을 위한 제트 추진 유닛에 관한 것이다. 레이디어스는, 디퓨저/컨퓨저가 추진 유닛을 나가는 수류의 형상을 제어할 수 있고, 또한 광범위한 선박 속도, 기동 및 해상 상태에 의해 제시되는 큰 압력차에 대하여 상응하는 가속을 제어할 수 있게, 디퓨저/컨퓨저와 스티어링 제어 노즐 어셈블리 사이의 천이 지점에 도입된다.

Description

해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 시스템{MARINE DUCTED PROPELLER JET PROPULSION SYSTEM}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은, 본 명세서에 참고로 포함되는, 2013년 3월 15일자로 출원된 발명의 명칭이 "MARINE DUCTED PROPELLER JET PROPULSION SYSTEM"인 미국 특허 가출원 제61/799,274호에 대한 우선권을 주장한다.

본 발명의 기술 분야

본 개시물은 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 예시적인 실시예들에 관한 것으로, 구체적으로는, 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 유닛의 임펠러 어셈블리 및 덕트 디자인의 예시적인 실시예들에 관한 것이다.

해양용 크래프트(marine craft)의 제트 추진 디바이스들의 용도는 잘 알려져 있는 기술이다. 제트 추진 에너지 소모가 기존의 프로펠러 시스템들보다 상당히 효율적이지 못하다고 해도, 제트 추진은 단일의 프로펠러에 비해, 특히 천해(shallow water), 기동성(maneuverability)의 관점에서는 많은 장점을 갖는다. 그러나, 해양용 제트 추진과 연관된 어떤 일반적인 문제들 때문에, 해양용 크래프트의 제트 추진이 광범위하게 수용되고 있는 것은 아니다. 예컨대, 해양용 제트 추진은, 보올링(balling) 등을 야기할 수 있는 제트 추진 유닛의 유입구에서 광범위한 속도, 수심, 해상 상태, 과도한 물 픽업(water pickup)에 대한 불안정한 성능 때문에 상당한 디자인 관련 문제들을 제기한다.

또 다른 일반적인 문제는 캐비테이션(cavitation; 공동현상)이다. 캐비테이션은 임펠러 상의 불균일한 압력 부하(유효 흡입 수두(net positive suction head))를 나타낸다. 캐비테이션은, 임펠러 동작에 의해 생성된 진공과 연관된 유체 스루풋의 의도치 않은 불완전 증발을 야기하는, 유체의 과도한 방사상 가속, 유체 기둥의 과도한 소용돌이 및 난류, 그리고 압력 변화에 의해 생성될 수 있다.

따라서, 높은 출력에서조차 일정한 수주(column of water)를 제공하기 위해 각각의 형상부가 함께 상승적으로 작용하는 한편, 캐비테이션 및 압력 변화의 영향을 배제하기 위해 물 스루풋이 난류는 물론 소용돌이도 아닌, 해양 선박의 제트 추진 유닛을 디자인하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 상기 유닛은, 상술한 보올링 및 캐비테이션의 영향을 만들어내지 않으면서도, 해양 선박의 전체 속도 범위 및 그 원동기의 상기 유닛에 대한 다양한 부하에 대처하기 위해 최대의 적응성을 가져야 한다.

해양 선박의 제트 추진 유닛은 디퓨저(diffuser)/컨퓨저(confusor); 스티어링 제어 노즐 어셈블리; 및 레이디어스(radius)를 포함한다. 레이디어스는, 디퓨저/컨퓨저가 추진 유닛을 나가는 수류(water flow)의 형상을 제어할 수 있고, 또한 광범위한 선박 속도, 기동(maneuver) 및 해상 상태에 의해 제시되는 큰 압력차에 대하여 상응하는 가속을 제어할 수 있게, 디퓨저/컨퓨저와 스티어링 제어 노즐 어셈블리 사이의 천이 지점(transition point)에 도입된다.

본 개시물의 전술한 및 다른 목적들은, 명세서 전반에서 유사한 참조 번호들이 유사한 부품들을 가리키는, 첨부 도면들 및 청구항들과 함께 취한 하기의 상세한 설명을 고려하여 명확해질 것이고, 여기서:
도 1은 본 개시물의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 예시도;
도 2는 도 1의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 분해도;
도 3은 도 1의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 분해도;
도 4는 도 1의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 분해도;
도 5는 도 1의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 임펠러 및 디퓨저의 예시도;
도 6은 본 개시물의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 임펠러 허브 및 디퓨저 허브의 예시도;
도 7은 본 개시물의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 임펠러의 다양한 도면;
도 8은 본 개시물의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 디퓨저/컨퓨저의 다양한 도면;
도 9는 본 개시물의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 예시도;
도 10은 본 개시물의 예시적인 실시예에 따른 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치의 트림(trim)의 다양한 도면.
도면들에 있어서, 동일한 참조 번호들 및 문자들은, 달리 언급하지 않는 한, 예시된 실시예들의 유사한 형상부들, 요소들, 부품들 또는 부위들을 나타내는 데 사용된다. 또한, 이제 본 개시물이 도면들을 참조로 하여 상세히 기술될 것이지만, 예시적인 실시예들과 함께 행해진다. 본 개시물의 범위 및 정신으로부터 일탈함이 없이, 기술된 실시예들에 대하여 변경 및 수정이 이루어질 수 있을 것이다.

이제 본 개시물의 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들이 도면들을 참조로 하여 기술될 것이다. 미국 특허 출원 제5,123,867호 및 제6,027,383호도 기존의 제트 추진 유닛들을 기술하고 있으며, 이들은 모두 여기에 참조로 포함된다.

본 개시물은 추진 효율을 실질적으로 향상시키는 추진 시스템을 제공한다. 상기 효율은 (1) 노즐을 통한 유체 유동에 의해 나타나는 대로 용적 기준으로 통과 수괴(passing water mass)를 수렴시키는 것 및 (2) 유동 용적에 있어서의 시스템의 내부 작업의 물질을 용적식으로 수용하는 것에 의해 얻어질 수 있으며, 그에 따라 하우징에 의해 제공되는 유동에 대한 수렴 특성이 향상된다. 이용에 있어서, 축방향 유동 단면적은 유동에 대한 제한 또는 차단을 나타내는 내부 작업의 물질의 저항 없이 유입구로부터 유출구까지 실질적으로 및 규칙적으로 감소한다. 또한, 본 개시물에서의 용적식 노즐 디자인을 이용하면, 난류가 감소하고, 물 흐름(water stream)의 고체 플러그-유동(solid plug-flow) 또는 고체 상태 특성(solid state character)이 더욱 효과적으로 향상된다.

도 1은 매립형 배기가스 하우징(1)을 갖는 해양용 덕트식 프로펠러 제트 추진 장치(100)의 다이어그램을 나타낸다. 엔진 배기가스의 열은 디퓨저 및 스티어링 노즐 어셈블리의 하우징을 가열할 수 있고, 결국 유동 제어 하우징의 내벽들을 가열하는 것에 의해 점성 계수를 향상시킬 수 있다. 이는 물에 열을 전달할 수 있어서, 하우징 재료 표면의 항력 계수를 감소시키고 유동 점성을 증가시킨다. 노즐 유출물 주변을 나가는 배기가스의 이점은, 유출 기둥에 배기가스의 포켓을 제공해서, 솔리드 수(solid water)와 부딪치는 유출 기둥의 항력 손실이 저감하는 한편, 운동 에너지 또는 추력에 대한 유출 기둥에서의 포텐셜 에너지의 반작용 효과가 향상될 수 있다는 점이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 추진 시스템(10)은 A-A 선 내지 B-B 선 사이에서 연장되는 흡기 구역(100), B-B 선 내지 C-C 선 사이에서 연장되는 임펠러 구역(200) 및 C-C 선 내지 E-E 선 사이의 배기 구역(400)을 갖는 축류식 포지티브 수두 펌프 또는 터빈 펌프와 유사하게 기능한다. 대기압에 의해 유입 통로(102) 내에서 유발된 수주는 배기 구역(400)을 통해 활성화되고 가속되어 크래프트(12)에 추력을 제공한다.

해양용 크래프트(12)는 후면 구역(14)에 설치된 덕트식 프로펠러 제트 추진 시스템(10)을 구비하고, 추진 시스템(10)의 흡기 구역(100)은 어댑터 플레이트(16)를 이용해서 하부 선체(18)에 합체되고, 트랜섬(transom)(20)에 의해 지지된 추진 시스템(10)의 배기 구역(400)은 평범한 프로펠러를 대신해서 보트(12)의 후미로부터 연장된다. 추진 시스템(10)은 2군데의, 즉 F - 전방 추진 위치 및 R - 후방 추진 위치의 그 추력 위치들에서 도식적으로 도시된다. 원동기(22)는 임펠러 샤프트(24)에 직접 부착되고, 스티어링 연결장치(26)는 추진 유닛(10)의 스티어링 모듈(28)에 부착된다.

또한, 교환 가능한 추력 베어링 어셈블리(30)는 구동 샤프트의 단부에 위치된 구동 커플링을 분리하고 고정용 볼트들을 제거해서 샤프트 추력 베어링 어셈블리(30)의 교환을 허용함으로써 선박(12)이 수상에 있든 아니든 간에 제위치에서 추력 베어링의 교체에 대비한다. 추력 베어링 어셈블리(30)는 베어링들 및 밀봉부들이 항상 윤활상태로 되도록 자동-그리싱(self-greasing)되게 설계된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 흡기 구역(100)은 구체적으로 일 단부에서 선체의 하부면에 형성된 흡기 개구(106)와 다른 단부에서 임펠러 구역(200)까지의 임펠러 흡기부(203) 사이에서 연통하는 하우징(104) 내의 흡기 통로(102)를 규정한다. 통로(110)는 임펠러(202)의 면까지 유동의 수렴을 제어해서 유동 특성들을 향상시키는 방식으로 초기에 직사각형 또는 타원형에서 원형으로 천이한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통로(110)는 굴곡부(120)에서 원통형 챔버(118) 상으로 수렴하는 2개의 연직벽(112), 긴 경사벽(114) 및 짧은 경사벽(116)을 포함할 수 있다. 굴곡부(120)에 이어지는 통로(122)는 원통형이다. 통로(122)의 수렴 벽들은 난류 없는 유동이 가능하도록 교차 지점들에서 적절히 매끄럽게 라운드 처리된다. 통상적으로, 굴곡부(120)의 각도는 특정한 설계 요건에 따라 약 30도 내지 약 45도에서 가변되지만, 이 범위에 한정되는 것은 아니며, 임펠러 흡기부(203)의 내부 작업부들의 용적 물질(volumetric mass)을 수용하도록 조절될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 임펠러 흡기부(203)는 샤프트(204), 가이드 베인(guide vane)(206)들 및 지향성 베인(208)들을 포함할 수 있으며, 레이놀드 수(Re)를 2300 내지 4000으로, 통상적으로는 2300에 가깝게 유지한다. 흡기부(203)의 단면적은 임펠러(202)까지 약 1.5 내지 약 2.5:1의 범위에서 변하는 비율로 유입구(102)에서의 단면적에 비례하는 것이 바람직하며, 또한 그에 맞게 외부 크기를 증가시킴으로써 구동 샤프트(204), 직선형 베인(206)들 및 지향성 또는 예비-소용돌이(pre-swirl) 베인(208)들의 물질의 유동에 용적식 삽입을 포함하도록 조절될 수 있다.

상부 및 하부 흡기부(110 및 203)의 내부 유동 특성은, 흡기부(203)를 통한 임펠러(202)까지의 수렴 유동이 아무런 제약을 받지 않도록 하기 위해 흡기부 입구로부터 임펠러 면까지 흡기부 천이의 형상을 단면적으로 조정함으로써, 흡기부 그릴(210), 샤프트(204), 가이드 베인(206)들 및 지향성 또는 안티(anti)-예비-소용돌이 베인(208)들을 수용할 수 있다. 그렇게 하지 않으면, 유동에서의 통기(aeration), 압력 변화 및 캐비테이션을 유발할 수 있는, 임펠러(202)에 대한 유동에서의 압력 변화를 유발할 수 있는(도 4에 더 상세히 도시됨) 유동 제한이 생길 수 있다.

임펠러(202)의 앞에 있는 유입구 하우징(104)의 흡기벽들을 따라 위치되는 것은, 하나 이상의 직선형 베인(208)에 의한 유동이 임펠러(202)의 면까지 고체 상태의 유동으로 유발되는 곳에서 내부 작업부들의 용적 물질을 그 파라미터들 내에 수용하도록 조절된 임펠러 블레이드 폭의 20%에 상당하는 최소 길이로 이루어진 직선 튜브 구역(211)이다. 다른 지향성 베인(206)들은 유입구 하우징(104)의 측면들을 따라 방사상으로 이격되어서, 동일한 용적의 물이 직선형 베인(208)들을 통해 임펠러(202)의 주변까지 안내될 수 있다. 베인(208)들은 최적화된 유동 효율을 위해 임펠러(202) 상의 방사상 부하를 최소화하므로, 유체는 임펠러(202)의 면까지 고체 상태로 진행된다. 또한, 베인(208)들은 임펠러(202)에 대한 유입구 수주에서의 임의의 예비적인 예선회(pre-rotation) 또는 난류를 약화시키도록 작용한다. 흡기부를 통한 임펠러(202)까지의 유동이 용적식으로 아무런 제약을 받지 않거나 또는 제한되도록 하기 위해, 흡기부(203)의 내부 유동 특성은 흡기부(203)로부터 임펠러 면까지의 흡기부 천이의 형상에 대하여 단면적 조정에 의한 직선형 및 지향성 베인들(206, 208)의 용적 개입을 수용하는 것이 중요하다. 그렇게 하지 않으면, 유동에서의 압력 변화 및 통기와 캐비테이션을 유발할 수 있는, 임펠러(202)에 대한 유동에서의 압력 변화를 유발할 수 있는 유동 제한이 생길 수 있다.

통로(102) 내부에서는 흡기부 그릴(210)이 선체 개구에 인접하게 배치된다. 이 그릴(210)의 물질은 유입 유동에 대한 제한을 나타내지 않도록 흡기부 통로(102) 내에서 용적식으로 변위될 것이다. 이것이 행해지지 않으면, 유동은, 감소된 압력의 난류성 유동 또는 기포 액체가 임펠러(202)의 면에 대하여 나타나게 하는 그릴(210)의 흡기부측에서의 낮은 압력 강하를 겪는다. 이는 임펠러의 면에서 그 블레이드들의 폭을 따라 캐비테이션을 유발할 것이다. 그릴(210)은 통상적으로 아래로 각진 선체(18)의 길이방향으로 흡기부 하우징(104)의 후면까지 배치된 평행한 바아(bar)들로 이루어진 스팬(span)이다. 그릴(210)의 바아들은 수류에 대한 최소 저항을 생성하도록 유입 흐름의 방향으로 유선형(streamlined) 또는 수중익(hydrofoil) 단면을 갖는다. 그릴(210)의 바아들 사이의 공간은, 임펠러(202)에 진입하는 가장 큰 물체들이 디퓨저 베인들을 통과할 수 있도록, 디퓨저 베인들 사이의 공간을 초과하지 않는 것이 바람직하다.

흡기 시스템(100)의 유도 플레이트는, 임펠러(202)까지의 고체 상태 유동 입력 속도들을 최대화하기 위해 정확한 각도 및 유동 비율로 고체 상태의 물의 흡기부(110) 내로의 원활한 진입을 보장하도록 선저 구배(hull dead rise) 변동을 수용하는 디자인에 의해 조절될 수 있다. 이 부분은, 임펠러(202) 앞에서의 압력 증가가 그 설계 요건을 넘지 않게 하거나 또는 흡기부에서 예비 압력을 다시 생성하는 것에 의해 선체 아래에서 항력을 유발하지 않게 함으로써, 흡기 압력 해제 바이패스 밸브와 협력한다. 이 해제 압력은 3 내지 6 psi의 범위 내로 되도록 테스트에 의해 결정되었다.

가변적인 사이즈의 흡기 구역(203)은 상이한 사이즈들로 제공되어서, 그 선체 형상, 사이즈 또는 선저 구배 또는 속도에 관계없이 모든 유형의 선박에 맞게 추진 시스템(10)의 설치를 허용할 수 있으며, 커플링 또는 볼트 어셈블리에 의해 상부 흡기 구역(205)에 연결되게 된다. 유입구 구역(200)은, 선체를 기획하는 경우에, 선박의 전진 운동 및 그에 따른 수면에서의 상승이 흡기 구역(200)을 크래프트 선체의 수위보다 약간 낮게 위치되게 할 수 있도록 선체의 후미 구역에 설치된다. 그러나, 정지시 또는 저속 운행시의 적절한 작동을 위해서는, 임펠러(202) 단면적의 적어도 약 60 내지 80퍼센트가 물에 잠기도록 유닛(10)을 설치해야 한다. 흡기 구역(203)은, 예컨대 플랜지에 의해 선체에 볼트로 고정된다.

하우징(104) 내측에 오손이 발생하는 경우에는, 통로(212)에 신속하게 접근할 수 있도록 암-홀(arm-hole) 덕트(216)가 제공된다. 덕트(216)는 굴곡부(120)에 위치되고, 외부 플랜지(222) 및 플러그(224)를 갖춘 원통형 하우징(220)을 포함한다. 플러그(224)에는 덕트 하우징(220)을 완전하게 채우는 플랜지식 커버(228)에 부착된 솔리드 구역(226)이 제공된다. 구역(226)에는, 덕트(216)가 설치될 때 굴곡부(120)에서 상부 흡기부 하우징(104)으로부터 제거된 표면 구역에 부합하는 매끈한 윤곽의 표면이 제공된다. 덕트(216)는, 제위치에서 적적히 플러깅되면, 유동을 중단시키는 일은 없다. 플랜지(222)에는, 설치 시에 플러그(226)가 적절히 정렬될 수 있도록, 플랜지(222) 내의 볼트 구멍들에 삽입되는 직립형 나사식 볼트(230)가 제공된다. 커버(228)에 부착된 핸들(232)은 추가적인 정렬 표시를 제공한다. 원동기(22)가 가동 중일 때 플러그(224)를 분리하려는 시도가 있을 경우에는, 엔진 차단 모드를 활성화시키기 위해 플랜지(222)와 덕트(216) 사이에 센서가 위치될 수 있다.

바이패스 밸브 어셈블리(도시되지 않음)가 도 1 및 도 2에 도시된 유입구(203) 부근에서 하우징(104)에 장착될 수도 있다. 선박(12)의 선체와 유도 유입구(106) 사이에서의 수압이 취급 용량인 3 내지 6 psi를 넘는 경우에는, 과잉수(excess water)가 바이패스 밸브 어셈블리(도시되지 않음)를 통해 배출된다. 흔히 보올링(balling)으로서 알려져 있는, 과잉수 증가는 해양용 제트 추진 유닛에서는 일반적으로 발생하는 것이다. 선박이 급격한 기동을 수행하고 있을 경우 및/또는 거친 해상 상태일 때 선박이 고속으로 운항하면, 과도한 보올링이 선박(12)의 선체에 항력 특성을 도입시켜서 유닛(10)의 추진 효율에 영향을 미친다. 밸브 어셈블리(도시되지 않음)는 압력을 경감하는 안티-보올링 디바이스로서 기능한다. 현재는 이 압력이 3 내지 6 psi를 초과하지 않아야 하는 것으로 알려져 있다. 흡기 압력 해제 바이패스 밸브(232)는 임펠러(202) 앞에서의 과도한 압력 증가가 임펠러 주위에서 배기가스 열교환기(207) 내로 해제될 수 있게 함으로써 유도 플레이트와 협력할 수 있다. 유닛 성능을 향상시키기 위해 해상 상태 또는 선박의 작업 부하를 겪는 것이 필요할 수 있기 때문에, 압력 바이패스 밸브 압력 해제 밸브(도시되지 않음)는 원하는 압력 해제로 설정될 수 있다. 이는, 밸브가 프로그램 작동이 가능한 컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있게 임펠러(202) 이전의 가동 압력을 중계하는, 하우징(104)의 측면에 부착된 압력 센서들에 의해 자동으로 제어된다. 압력 해제 능력을 갖지 못하면, 임펠러(202) 앞에서 및 흡기부 아래에서 압력 증가가 초래될 수 있어서, 흡기부 입구에서의 항력 효과가 야기되고, 또한 호스트 선박의 특성들이 영향을 받게 된다. 바이패스 밸브(도시되지 않음)에서 나오는 유동은 추진 시스템 배기가스 하우징(207)으로 나가게 된다.

본 발명의 임펠러 구역(200)은, 도 1 및 도 3에서 B-B 선 내지 C-C 선으로부터 알 수 있듯이, 단일의 1단 임펠러(202)를 합체하는 것으로 도시된다. 임펠러 어셈블리(200)는 2개의 소구역으로 구성된 분리 가능한 하우징(236), 임펠러 하우징(251), 및 임펠러(202)와 디퓨저/컨퓨저(242)를 갖는 디퓨저/컨퓨저 하우징(242)을 포함한다. 임펠러 하우징(251)은 유입 포트(344) 및 배기 포트(346)에서 일반적으로 균일한 직경을 가진 원통형이다. 디퓨저 하우징(242)은 임펠러 구역(200)에 인접하는 최대 직경으로부터 배기 구역(400)에 인접하는 최소 직경까지 안쪽으로 경사져 있는 내측면을 가진 원통형이다. 임펠러 하우징(240)의 수렴 내측면은, 블레이드(250)들 및 허브(252)인 임펠러(202)의 내부 작업부들의 용적 물질을 수용하도록 조절된 약 0.5 내지 0.75:1에서 변하는 비율로 바람직하게는 임펠러 구역 흡기 단면적에 비례하는 유출구 단면적을 갖는다. 바람직한 비율은 블레이드들 및 허브인 임펠러의 내부 작업부들의 용적 물질을 수용하도록 조절된 약 0.60 내지 약 0.70:1이며, 약 0.64:1이 최적이므로, 디퓨저/컨퓨저 하우징(240)의 용적 변위는 임펠러 구역(200)의 용적 변위보다 적다. 디퓨저 구역의 용적 변위는 블레이드들 및 허브인 임펠러의 내부 작업부들의 용적 물질을 수용하도록 조절된 약 75 내지 약 90퍼센트이며, 바람직하게는 임펠러 구역의 용적 변위의 블레이드들 및 허브인 임펠러의 내부 작업부들의 용적 물질을 수용하도록 조절된 약 80 내지 약 90퍼센트이고, 최적으로는 블레이드들 및 허브인 임펠러의 내부 작업부들의 용적 물질을 수용하도록 조절된 약 85퍼센트이다. 또한, 임펠러 하우징에서 축방향 임펠러/디퓨저/컨퓨저 허브 조합에 의해 제공되는 환형 유동 채널은 난류성 경계 와류를 방지하기 위해 실질적으로 인접하는 매끄러운 내면 및 외면을 갖는다. 임펠러 구역(200)의 중요한 디자인 기준은 임펠러 하우징(251) 및 디퓨저 하우징(240)의 단면적이 연결 지점에서는 동일해야 한다는 점이다.

특히 임펠러 구역(200)의 개개의 부분에 관해서, 임펠러 어셈블리(202)는 허브부(252) 및 임펠러 블레이드(250)들의 형상 모두에 대하여 사전에 많은 실험 및 수정을 거친 고유한 디자인을 갖는다. 교환 가능한 블레이드 어셈블리 임펠러는 임펠러(202) 상의 개개의 임펠러 블레이드(250)의 손상시의 용이한 교체를 가능하게 하거나, 또는 상이한 응용들에 대하여 임펠러(202)의 피치를 변경하는 것을 가능하게 한다. 임펠러(202)의 필수적인 양태는, 임펠러 블레이드(250)들이 종래 기술의 임펠러 디자인에서는 보편적인 평평한 구역보다는, 탈착 가능한 허브부(252)의 바깥쪽으로 경사진 볼록면을 따라 고정된다는 점이다.

조립된 임펠러 허브(252)는 바깥쪽으로 경사진 볼록면 및 환형의 내부를 갖는 것이 바람직하지만, 허브(252)는 축방향 단면에서 보았을 때 오목부 및 볼록부로 이루어진 외부면과 환형의 내부를 갖는 것이 더 바람직하다. 조립된 허브(252)는 좁은 직경의 선단부, 증가하는 가변 직경의 중간부 및 큰 직경의 후단부로 되어 있는 외부면을 갖는다. 샤프트(204)의 원위 단부는 허브(252)의 길이에 걸쳐 동심의 축방향 보어(266)를 통해 연장된다. 선단부는 유체 유동을 위한 매끈한 연속 표면을 나타내도록 샤프트(204) 상에서 견부(shoulder)(264)에 인접해 있는 환형의 단부면을 갖는다. 조립된 허브(252)의 환형의 벽들은 결합 가능한 표면 블레이드 구역 리테이너를 제공하는 보어(266)로부터 바깥쪽으로 연장되는 원위의 환형 단부와 로킹 외피(locking sheath)를 제외하고는 실질적으로 일정한 두께로 이루어진다.

임펠러(202)는 통과 유체에 대한 블레이드 노출을 최대화하고 임펠러(202)에 의해 전달된 방사상 가속 성분을 줄이도록 설계된 경사도로 허브(252)의 윤곽 표면을 따라 부착된 블레이드(250)들을 갖는다. 블레이드(250)는 볼록한 외측 레이디어스(272), 오목한 내측 레이디어스(274), 짧은 후미 에지, 긴 선두 에지, 중간점을 갖는 넓은 표면의 측부들, 및 두께를 갖는다.

임펠러 블레이드(250)들의 경사도는 선두 에지 및 후미 에지에서, 조립된 허브(252)의 외부면에 대한 접선에 대하여 수직하게 결정되는 블레이드(250)들의 길이에서의 평균 경사도 또는 비틀림 정도로서 규정된다. 내측 레이디어스(274) 또는 외측 레이디어스(272)를 따라 보았을 때, 또는 선두 또는 후미 블레이드 에지를 아래로 보았을 때, 선두 에지 또는 후미 에지의 경사도의 평균 각도는 허브(252)의 표면 윤곽을 따르도록 블레이드(250)에 필요한 다른 에지와는 반대쪽으로 기울어진 하나의 에지에 대한 수직선에 대하여 약 20 내지 40도의 범위에 있는 것이 바람직하며, 약 30도인 것이 더 바람직하다. 선두 에지는 임펠러(202)의 지향 방향으로 비틀어진다. 선두 에지는 좁은 직경을 갖는 허브(252)의 선단부에 대응하고, 후미 에지는 허브(252)의 후단부에 대응하며, 블레이드(250)의 중간-구역 방사상 폭은 임펠러 직경이 실질적으로 일정하도록 허브(252)의 중간부의 레이디어스에 따르게 된다는 점을 인식할 것이다. 블레이드(250)의 전체 길이는 조립된 허브(252)에 각도 성분을 더한 길이와 동일하다.

방사상 방향에 있어서, 블레이드(250)의 두께(284)는 종전에 규정된 대로 실질적으로 균일한 것이 아니라 개선된 디자인의 결과로서 로우 프로파일 포일형(low profile foiled) 디자인이다. 선두 에지는 어느 에지로부터든 대략 등거리인 중간점에서 최대 두께를 가진 실질적으로 균일한 경사를 갖는다. 선두 에지 입사각은 임펠러(202)의 회전 속도와 관련하여 13도 내지 15도로 될 필요가 있다.

도 7은 조립된 허브(252)를 따라 연장되는 5개의 블레이드로 이루어진 전형적인 팬을 도시한다. 블레이드들의 개수, 임펠러 직경 및 경사도는 원동기(22)에 의해 공급된 동력 및 준비된 선박의 필요한 설계 고려사항에 관련하여 최적화될 수 있다.

임펠러 하우징(251)의 내부 유동 특성은 임펠러 하우징(251)의 형상 및 임펠러 허브(252)의 크기를 조정함으로써 단면적에 의한 임펠러 블레이드(250)들 및 허브(252)의 용적 변위를 수용할 수 있다. 이는, 흡기부(203)로부터 임펠러(202)를 통한 디퓨저/컨퓨저(242)까지의 유동의 천이를 제한 없이 허용하는 한편, 스티어링 노즐(400)에 대하여 정확한 유동 용적 속도를 유지할 것이다. 그렇게 하지 않으면, 시스템을 통한 유동 특성에 있어서 변화가 생길 수 있고, 그 결과 임펠러 블레이드들의 선두 에지에서 캐비테이션이 초래되거나 또는 디퓨저/컨퓨저로의 및 스티어링 노즐 어셈블리(400) 내로의 유동에서 압력 변화가 유발되어, 난류성 유동 또는 유동 초크(choke)와 그에 따라 효율을 떨어뜨려서 결국에는 수압 브레이크 효과를 야기하는 배압(back pressure)을 유발할 수 있다.

가속된 유동에 있어서의 임펠러 블레이드(들)(250)의 피치 효과는, 어셈블리 임펠러 허브(252)의 단부에 및 블레이드(250)의 출구측 피치의 연속을 나타내는 블레이드들의 폭에 연속적인 평행 구역을 추가함으로써 필요한 피치 길이 이상의 블레이드 폭의 연장부에 의해 향상될 수 있다. 임펠러 블레이드(250)의 설계 피치는 필요한 유출 속도 효율과 임펠러(202)를 구동하는 동력원에서 이용 가능한 동력의 결합된 해석일 수 있다. 이 동력원은 임의의 유형의 구동부로 이루어질 수 있으며, 이는 전기, 가솔린, 디젤, 가스 또는 대체 연료에 의해 구동되는 것일 수 있다. 추가된 블레이드 폭의 효과는, 교환 가능한 디퓨저 블레이드 부품과 함께 작용해서, 디퓨저(242)를 통해 스티어링 노즐 어셈블리(400) 상으로 선형의 층류식 유동에 대한 임펠러 블레이드(250)들의 뒤쪽의 회전형 유출 유동 속도의 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 직경 대 피치의 비율을 조절함으로써 기존의 프로펠러들을 선박의 요구에 부합시키는 능력과 유사하게, 추가된 블레이드 폭의 연장부의 조절은 구동부에 대한 임펠러 출력의 성능 및 효율을 향상시키는 능력을 제공한다. 임펠러 하우징(251)의 내부 유동 특성은 임펠러 하우징 직경의 조정에 의해 또는 유동 용적에 있어서의 임펠러 허브 변위의 조정에 의해 단면적에 의한 임펠러 블레이드(250)들 및 추가된 피치 연장부의 용적 변위를 수용할 수 있다. 이는, 흡기부로부터 임펠러(202)를 통한 디퓨저(242)까지의 유동의 천이를 제한 없이 허용할 수 있는 한편, 스티어링 노즐(400)에 대하여 디퓨저/컨퓨저(242)를 통한 정확한 유동 용적 및 속도를 유지할 수 있다. 그렇게 하지 않으면, 시스템을 통한 유동 특성에 있어서 변화가 생길 수 있고, 그 결과 적절한 속도에서 결국 시스템 고장으로 끝나는 불일치에 비례하는 추진 효율의 감소가 초래된다.

내구성 있는 플라스틱제 제거 및 교체 가능한 임펠러 마모 슬리브(260)는 임펠러 하우징(251)에 대한 마모 및 파열을 정지시키도록 제공될 수 있다. 블레이드 팁(tip)들과 제거 및 교체 가능한 임펠러 마모 슬리브의 내벽 사이의 틈새 크기는 매우 중요하며, 터치 접촉 이상도 이하도 아니어야 한다.

디퓨저/컨퓨저 하우징(242)의 내부 유동 특성은 디퓨저/컨퓨저 하우징(242)의 형상을 조정함으로써 단면적에 의한 디퓨저(242)의 블레이드들 및 허브(243)의 용적 변위를 수용할 수 있다. 이는, 임펠러 블레이드(250)들의 뒤쪽에서 디퓨저(242)를 통한 노즐 어셈블리(400)의 상부 노즐까지의 유동의 천이를 제한 없이 허용할 수 있는 한편, 상부 스티어링 노즐(401)에 대하여 정확한 유동 용적 및 속도를 유지할 수 있다. 그렇게 하지 않으면, 시스템을 통한 유동 특성에 있어서 변화가 생길 수 있고, 그 결과 최종적인 배압에 의해 난류성 유동 또는 유동 초크가 초래된다. 이는, 디퓨저 및 스티어링 노즐 어셈블리(401)에 대한 유동에 있어서의 적절한 압력 변화를 유발해서 효율의 저하와 궁극적인 시스템 고장을 야기할 수 있는, 임펠러 블레이드(250)들의 선두 에지에서의 캐비테이션을 초래할 수 있다.

교환 가능한 디퓨저/컨퓨저 블레이드 부품(245)은, 손상시에 대체되도록, 또는 임펠러(202)의 후미 에지 속도의 요건 또는 임펠러 블레이드(250)들의 피치 변화를 충족시키기 위해 디퓨저 베인(244a)들이 조절될 필요가 있는 경우에는 그 선두 에지의 피치를 변화시키도록 디퓨저(242)에 대한 블레이드들의 선두 에지의 변화를 고려할 수 있다.

디퓨저 블레이드(244)들의 선두 에지의 그들의 직선 후미 구역까지의 레이디어스들은 이전의 디자인들에서보다 큰 레이디어스로 이루어질 수 있어서, 회전형 유동으로부터 선형/층류형 유동으로의 변화가 난류성 유동을 덜 공격적으로 저감시키게 할 수 있는, 임펠러 블레이드(250)로부터 난류성이 덜한 유동의 천이를 보장한다. 디퓨저/컨퓨저 베인(244)의 입사각은 임펠러(202)의 후미 에지의 유동의 속도에 대응할 필요가 있다. 각각의 블레이드의 선두 레이디어스는 디퓨저/컨퓨저 블레이드 길이 아래로 대략 중간쯤까지 연장될 수 있다. 레이디어스의 변화 및 그에 따른 블레이드 형상의 변화는 디퓨저/컨퓨저 하우징의 내부 유동 특성들 및/또는 사전에 달성 가능했던 것보다 뒤이어 일어나는 유동 특성에 대한 보다 정밀한 수렴 유동 효과로 지지하는 디퓨저 베인(244)을 지지하는 허브의 용적 유동 특성들에 포함될 수 있다.

디퓨저/컨퓨저(242)에 대한 출구 레이디어스(246)는 증가되게 조절될 수 있다. 디퓨저/컨퓨저 출구로부터 스티어링 노즐 어셈블리(400)까지의 예각으로 된 천이는 디퓨저/컨퓨저(242)로부터 스티어링 제어 노즐 어셈블리(400)까지의 유동 천이로서 유동 난류를 유발할 수 있다. 미국특허 제5,123,867호 및 제6,027,383호에 도시된 바와 같이, 이러한 첨예하고 급격한 각도 변화는, 임펠러 블레이드(250)들의 뒤쪽에서 유동에 대한 저항을 나타냄으로써 임펠러(202)의 효율에 영향을 미칠 수 있는, 유동을 제한하며 배압을 야기하는 디퓨저 출구에서 보다 높은 유동 속도로 유동 난류를 유발한다. 이렇게 레이디어스를 증가시키면, 디자인에 의해 제공되는 수렴 유동 특성 및 동력 공급 하에 임펠러(202)에 의해 유동에 전달된 일정한 속도 가속에 비례하여 유동의 가속의 감소가 제공된다. 유동은, 배압을 유발하는 난류를 야기하는 사실상 난류성으로 되는 유동 없이, 적절한 유동 가속을 통해 제어될 필요가 있다. 디퓨저/컨퓨저(242)로부터 스티어링 제어 노즐 어셈블리(401)까지의 천이 지점에서 레이디어스를 도입함으로써, 디퓨저/컨퓨저(242)와 스티어링 제어 노즐 어셈블리(400)의 접촉 지점들에서 제공된 레이디어스의 방사상 길이의 증가에 대하여 적절히 및 비례적으로 감소되는 난류성 유동의 감소가 발견되었다.

디퓨저/컨퓨저(242)는 이하의 몇몇 중요한 수행 기능들을 달성하기 위해 임펠러(202)에 바로 인접하여 배치되고 임펠러(202)와 협력하도록 설계된다: (1) 임펠러(202)에 의해 전달된 방사상 가속 성분을 제동하는 것; (2) 물 스루풋의 경로를 전체 임펠러 단면적에 걸쳐 분산시키는 것; (3) 임펠러(202) 상에 낮은 인위적인 배압을 제공함으로써 임펠러 작용과 연관된 진공에 기인하는 통과 유체의 불완전 증발을 방지하는 것; 및 (4) 임펠러(202)의 최대 반력을 허용하는 것과 에너지를 포텐셜 에너지로 이용할 수 있는 원동기(22)들의 더 효율적인 전달을 허용하는 것. 어느 정도의 기포가 존재하면, 임펠러(202) 상의 불균일한 부하 및 캐비테이션이 도입되게 된다. 이들 수행 기능은 디퓨저/컨퓨저(242)의 내부 작업부들의 용적 물질을 수용하도록 조절되는 디퓨저/컨퓨저(242)의 용적 유동 특성에 의해 향상된다.

디퓨저/컨퓨저 허브(243)는 허브 임펠러(252)에 대하여 반대편에 배치된, 안쪽으로 경사진 볼록면 및 환형의 내부를 갖는 것이 바람직하다. 허브(243)는, 큰 직경의 평평한 선단부, 감소하는 가변 직경의 중간 구역 및 작은 직경의 후단부를 포함하여, 그 중간을 통해 드릴링된 동심의 보어 캐비티(246) 및 중앙의 환형 단부 연장부를 가진 둥근 노우즈(nose)를 형성한다. 동심의 외측 환형 캐비티(246)는 허브(252b)에 실질적으로 일정한 두께의 벽들을 제공하는 주로 과도한 중량의 감소를 위한 것이다. 동심의 내측 환형 보어(246)는 임펠러(202)를 지지하는 임펠러 샤프트(204)에 대한 지지 베어링을 위해 원통형 하우징을 규정한다. 보어(246)는 설계 강도 기준이 필요로 하는 대로 허브(243)의 노우즈 구역에서 감소된 직경을 갖는다.

디퓨저/컨퓨저 블레이드 디자인은, 디퓨저 허브(252b)의 표면 윤곽과 연관된 베인(244)들에 통합된 현저한 변화를 제외하고는, 표준 직선 베인 디자인에 기초하는 것이 보통이다. 베인(244)들은 디퓨저(242)가 일정한 직경을 갖도록 허브(243)의 직경에 따른 방사상 폭을 갖는다. 각각의 베인(244)의 두께는 에어포일(airfoil) 형상으로 될 수 있거나, 또는 디자인 미세-조정 요구에 따라 무뎌지거나 또는 뾰족해질 수 있는 에지 측부를 제외하고는 전반적으로 균일한 두께를 가질 수 있는 것이 보통이다. 베인(244)들은 임펠러(202)의 지향 방향과는 반대 방향으로 만곡되는 교환 가능한 구역(245)의 교환 가능한 선두 에지 포트 및 전형적으로 허브 표면에 대해서 수직인 직선 구역을 갖고, 연결 지점에서 허브(243)를 양분하며 성능 미세-조정에 따라 임펠러(202)의 지향 방향과 반대편에 있는 직교 평면에서 약 10도까지의 각도로 경사질 수도 있다. 분리 가능한 디퓨저/컨퓨저 블레이드 구역의 만곡 단부는 길이방향 평면에서 약 10도 내지 약 40도의 각도로 경사지고 교환 가능한 블레이드 구역의 허브(243)를 양분하며 직선부를 통합하는 것이 보통이다. 베인(244)들은 일 단부가 허브(243)의 윤곽 표면에, 그리고 다른 단부가 하우징의 내벽들에 길이방향으로 견고하게 부착되고, 허브(243)의 베어링 기능을 위해 둘레 지지부(girding support)를 제공한다. 디퓨저/컨퓨저 베인(244)들의 개수는, 디퓨저/컨퓨저 구역의 성능 기준이, 예컨대 배압을 제공하고, 또한 방사상 가속의 제동이 달성되는 한편, 공진 및 잡음 레벨이 최소화되는 바와 같은 관계로, 임펠러 블레이드(250)들의 개수에 대하여 선택된다. 중요한 디자인 특징에 있어서, 임펠러 블레이드들 대 디퓨저/컨퓨저 베인들의 비율은 홀수:짝수 또는 그 반대이다. 예컨대, 3개, 5개 또는 7개의 임펠러 블레이드가 주어지면, 디퓨저 베인의 상응하는 개수는 6개, 8개 또는 10개로 되는 것이 바람직하다.

전체적으로, 디퓨저/컨퓨저(242)는 수류의 형상을 제어하고, 또한 광범위한 선박 속도, 기동 및 해상 상태에 의해 제시되는 큰 압력차에 걸친 상응하는 가속을 제어하도록 설계된다.

임펠러 어셈블리(200)는 디퓨저/컨퓨저 장치(242)가 임펠러 장치(202)의 뒤쪽에 아주 가깝게 부착되어 있는 원통형 임펠러 하우징(251) 내에 축방향 대칭으로 배치된다. 회전 가능한 허브(252) 상의 후단부의 외부면은 실질적으로 고정식 허브(243) 상의 선단부의 외측면에 연속된다. 임펠러 어셈블리(200)는 이렇게 배열되어서 이 어셈블리를 간단하고 신속하게 구성하는 한편, 임펠러(202) 및 그에 맞는 디퓨저(242)가 원동기(22) 및 크래프트 설계 요건에 부합하는 것을 가능하게 한다. 임펠러 하우징(251)은 하우징의 직경이 임펠러 직경의 감소에 대응하여 감소되는 것을 가능하게 하는 교체 가능한 슬리브를 가질 수 있다. 따라서, 보다 소형의 보트에서는 보다 소직경의 임펠러 배치장치가 사용될 수 있다. 그러나, 마력이나 선박의 사이즈에 관련해서는 제한이 없으며, 추진 시스템(10)은 대형 선박에 대해서 또는 보다 빠른 속도에 대해서는 그에 비례하여 확장된 용량을 가질 수 있다.

추진 시스템(10)을 통해 축방향으로 연장되는 임펠러 샤프트(204)에는, 유입구 하우징(203) 상에 장착된 교환 가능한 베어링 어셈블리(30)에 의한 제1 베어링 지지부 및 고정식 허브(243)에 있는 제2 베어링 지지부(247)가 제공된다. 베어링 어셈블리(30)는 하우징, 롤러 베어링 및 로킹 링을 포함한다. 베어링 어셈블리(30)는 유닛을 특정한 원동기 요건에 맞게 조정하기 위한 기어 하우징(도시되지 않음)을 또한 포함한다.

샤프트(204)에는 견부와, 점진적으로 더 작은 동심 직경 구역들을 갖는 동심 원위 구역이 제공된다. 임펠러(202)는, 허브(252) 상의 선두 에지의 환형 단부가 견부에 인접해서 유체 유동을 위한 매끈한 연속 표면을 나타내도록, 샤프트(204) 구역 상에서 슬라이드한다. 허브 보어(266)로부터 바깥쪽으로 연장되는 원위의 환형 단부의 최소 직경보다 큰 직경을 갖는 근위의 환형 단부를 갖춘 환형 로킹 슬리브는 샤프트(204) 상의 견부에 대하여 임펠러(202)를 견고하게 유지하는 환형 단부에 결합한다. 그래서 와셔와 로킹 너트가 슬리브를 고정한다. 샤프트(204)의 원위 구역은 로킹 너트에 대하여 나사결합되므로, 표준 키(도시되지 않음) 및 키홈의 조합이 동기적으로 임펠러(202)를 샤프트(204) 상에 결합한다.

베어링 슬리브는 허브 하우징(252)의 중심 환형부에 삽입된다. 허브들(252 및 243) 사이의 틈새가 약 1/8 인치로 되도록 슬리브를 갖는 샤프트부를 베어링을 통해 삽입함으로써, 어셈블리가 완성된다. 고정식 허브(243)의 노우즈 단부에 있는 보어(266)는 베어링의 외부 주위로 넘치는 물을 위한 출구를 제공한다. 베어링은 자동-윤활식(self-lubricating), 자동-냉각식(self-cooling) 및 자동-증수식(self-flushing)의, 해양 응용에서 사용되는 전형적인 베어링들이다.

대형 선박들에 대한 대안적인 베어링 응용은 지향성 베인들 내에 베어링을 설치하는 것이며, 또한 지향성 베인들의 지지부에 위치된 베어링 하우징을 지나 연장되는 샤프트의 대향하는 레버 구역 상에 위치되는 임펠러를 갖는 것이다.

샤프트는 지지 구조체를 형성하는 임펠러의 앞에 있는 지향성 베인들에 의해 지지된 흡기 유동에 대하여 최소의 저항을 제공하기 위해 포일 형상의 샤프트 하우징에 수용될 수도 있다. 흡기부의 유동 특성들에 맞게 설계된 이 하우징의 물질은, 임펠러의 면까지의 유동을 미리 회전시키는 샤프트의 회전 속도의 영향을 막기 때문에, 샤프트 자체인 경우보다 흡기 유동에 대한 저항을 덜 제공할 수 있다.

임펠러 구역 케이싱을 흡기부 하우징(104)과 상부 노즐 하우징(401) 내지 배기부 하우징 노즐(402)까지 연결하기 위한 수단은 각각의 구역에 부착된 부합된 플랜지들에 걸쳐 클램프 부품 내부에서 불트들에 의해 체결되는 동일한 링 클램프들 또는 볼트 플랜지들을 포함한다. 클램프는 힌지에서 부착되는 반원형 홈이 있는 2개의 부품으로 이루어지는 것이 보통이다. 추가적인 연결 수단은 플랜지들을 이용하는 임펠러 하우징(251) 및 디퓨저 하우징(242)과 플랜지들을 이용하는 디퓨저 케이싱과 배기 케이싱 사이로서 서로 부합하는 플랜지 커넥터들을 포함한다. 바람직하게는, 고무 씨일, 개스킷 또는 O-링이 사이에서 이용된다. 추진 시스템(10)의 디자인은 하우징을 갖춘 스티어링 수단(28)이 펌프 하우징 구역의 중앙 꼭대기에 놓이도록 하는 것이다. 하우징의 구역들도 플랜지들에 의해 연결된다.

C-C 선으로부터 E-E 선까지 연장되는 유출구 또는 배기 구역(400)은 3개의 원통형 구역으로 이루어지고, 2가지의 주된 기능, 즉 유체 가속과, 제어 수단을 제공하기 위해 유출 흐름을 선회 가능하게 지향시키는 수단을 제공한다. 배기 구역(400)은 배기 지점이 크래프트(12)의 하부 선체와 수평하게 정렬되도록 바람직하게는 60도의 여각(complementary angles)을 포함한다.

C-C 선으로부터 중간까지 연장되는 제1 구역은 각진 원통형 하우징(291)이다. 하우징(400)은 360도에 걸쳐 수평방향으로 선회 가능한 선회 가능부(293)를 포함한다. 선회 가능한 제2 구역(293)과 각진 구역은 베어링 어셈블리에 의해 연결된다. 베어링 어셈블리는 하우징(291)의 외부면에 부착된 내륜, 구역의 외부면에 부착된 외륜, 및 그 사이에 있는 베어링 링을 포함한다.

스티어링 디바이스(28)는 본 발명의 제트 추진 유닛의 회전 가능 구역에 대하여 해양 선박 내의 스티어링 칼럼을 연결한다. 스티어링 연결장치는 슬리브 베어링을 갖는 스티어링 로드(rod)와 제1 및 제2 유니버셜 조인트를 포함한다. 하우징(291)의 내부를 통해 각지게 연장되는 스티어링 로드 꼭대기에 장착되는 제2 유니버셜 조인트는 스포크 베인들에 의해 회전 구역에 작동식으로 연계된다. 각도 스포크 베인들은 유동에 대한 장애물로 되지 않도록 설계되어 설치된다.

제3 구역인 배기 구역(400)은 앞서 언급한 구역에 클램핑되고 E-E 선까지 뻗어 나가는 상보적인 각진 하우징이다. 하우징(291)은 하부 노즐(402)을 포함하고, 노즐의 성능에 따른 선택이 가능하도록 교환 가능하게 설계된다. 배기 구역(400)에서의 스티어링 어셈블리(291)의 단면적은 약 0.25 내지 0.50:1의 비율로 임펠러 유입구 단면적에 비례하는 것이 바람직하다. 유동 용적에 있어서의 스티어링 샤프트, 스포크 베인들 및 유동 제어 베인들의 내부 작업들의 용적 물질을, 바람직하게는 약 0.30 내지 약 0.40:1의 비율로, 가장 적합하게는 약 0.35:1의 비율로 수용하도록 스티어링 어셈블리(291)의 진입 직경을 조절함으로써, 배기 노즐의 내부면들은 매끄러우며 유출구 단면적에 수렴한다.

하부 노즐(402)은 구역의 내부면의 수직하게 부착되는 것이 바람직한 하나 이상의 직선형 베인을 포함한다. 직선형 베인들은 소용돌이를 감쇠시키는 한편, 유닛(10)으로부터 물 스루풋의 정상 층류 기둥이 배출되는 것이 가능하도록 설계된다. 또한, 노즐(402)은 노즐의 외부 에지에 부착된 링을 포함한다. 링은 유출수의 보다 원활한 천이를 허용하도록 링의 에지들 주위에서의 와류들에 의해 노즐(401)을 통해 배출되는 물의 추진 작용을 인위적으로 강화한다.

상부 스티어링 노즐(401)의 내부 유동 특성은 상부 노즐(401)의 형상을 조정함으로써 단면적에 의한 스티어링 샤프트(501)의 용적 변위를 수용할 수 있다. 이는, 디퓨저 베인(244)들의 뒤에서 노즐 어셈블리의 상부 노즐(401) 내지 하부 노즐(402)을 통한 유동의 천이를 제한 없이 허용할 수 있으며, 스티어링 노즐에 대한 정확한 유동 용적 및 속도를 유지할 수 있다. 그렇게 하지 않으면, 시스템을 통한 유동 특성에 있어서 변화가 생길 수 있고, 그 결과 최종적인 배압에 의해 난류성 유동이 초래된다. 이는, 스티어링 노즐에 대한 유동에 있어서의 적절한 압력 변화를 유발해서 전체 시스템 효율의 저하와 궁극적인 시스템 고장을 야기하게 되는, 디퓨저(242)의 효율에 영향을 미치는 난류성 유동 및 배압의 생성을 초래할 수 있다. 전개에 의해 상부 노즐(401)의 레이디어스를 증가시키면, 디퓨저/컨퓨저의 변화된 출구 레이디어스에 의한 작용 및 유동 저항이 감소해서 상부 노즐(401)을 통한 유동의 효율이 향상된다. 효율의 향상은 상부 노즐(401)의 엘보(elbow) 형상의 방사상 길이 및 방사상 길이의 증가로 얻은 향상된 내부 유동 속도에 직접적으로 관련된다.

스티어링 노즐 스티어링 베어링 어셈블리(291)의 내부 유동 특성은 스티어링 베어링 어셈블리의 형상을 조정함으로써 단면적에 의한 스티어링 샤프트(501) 및 스파이더 암(spider arm)들의 용적 변위를 수용할 수 있다. 이는, 베어링 어셈블리를 통한 상부 노즐(401)로부터 노즐 어셈블리의 하부 노즐(402)까지의 유동의 천이를 제한 없이 허용할 수 있으며, 스티어링 노즐에 대한 정확한 유동 용적 및 속도를 유지할 수 있다. 그렇게 하지 않으면, 시스템을 통한 유동 특성에 있어서 변화가 생길 수 있고, 그 결과 최종적인 배압에 의해 난류성 유동이 초래된다. 이는, 스티어링 노즐에 대한 유동에 있어서의 적절한 압력 변화를 유발해서 난류성 유동 및 배압의 생성과 효율의 저하를 초래할 수 있다.

하부 스티어링 노즐(402)의 내부 유동 특성은 하부 노즐의 형상을 조정함으로써 단면적에 의한 가이드 베인들의 용적 변위를 수용할 수 있다. 이는, 베어링 어셈블리로부터 하부 노즐 출구 지점까지의 유동의 천이를 제한 없이 허용할 수 있으며, 스티어링 노즐에 대한 정확한 유동 용적 및 속도를 유지할 수 있다. 그렇게 하지 않으면, 시스템을 통한 유동 특성에 있어서 변화가 생길 수 있고, 그 결과 효율의 저하가 초래된다.

하부 스티어링 노즐(402) 가이드 베인(403)들은 노즐의 외벽들과 동일한 레이디어스를 포함하도록 레이디어스의 길이까지 옮겨질 수 있다. 이는, 노즐의 레이디어스를 통한 유동의 유출 천이의 안내를 위해 보다 원활한 천이를 제공할 수 있으며, 효율적으로 유동을 향상시키는 노즐의 레이디어스 선회에서의 난류의 생성을 줄인다. 노즐의 내부 유동 특성은 노즐을 통한 유동이 아무런 제약을 받지 않도록 하기 위해 노즐의 형상에 대한 단면적 조정에 의해 가이드 베인들 중 어느 하나를 수용할 수 있다. 상부 노즐(401)에 대하여, 하부 스티어링 노즐(402)의 레이디어스를 증가시키면, 하부 노즐을 통해 유동 저항이 감소되고 유동의 효율이 향상되게 된다. 효율의 증가는 하부 노즐(402)의 엘보 형상의 방사상 길이 및 내부 유동 속도에 직접적으로 관련된다. 하부 스티어링 노즐(402)의 호환성은 유출 출구 지점을 올리거나 내려서 결국 하부 스티어링 노즐의 방사상 길이의 변화에 관련된 추력 지점 및 선박에 대한 그 영향을 변화시키게 되는 상이한 레이디어스 길이의 노즐들을 이용함으로써 유출하는 유출물의 높이가 조절되게 한다.

하부 노즐(402)에 있는 도약식(jump-up) 스티어링 베인(405)은 낮은 각도의 선저 구배를 가진 해양 선박들의 추적 및 보다 양호한 제어를 도울 수 있다. 도약식 스티어링 베인(405)은 동물이거나 무기물일 수 있는 임의의 수중 장애물에 부딪히는 경우에 스티어링 노즐 내로 인입될 것이다. 하부 스티어링 노즐 하우징 직경은 규모에 따라 유동 용적에 있어서의 도약식 스티어링 베인(305)의 내부 작업의 용적 물질을 수용한다.

배기부 하우징(400)은, 유닛(10)에 도입된 포획 공기가 탈출할 수 있고 유닛(10)이 자급식으로 될 수 있게, 대략 디퓨저 허브(243)의 단부를 따라 뚫린 블리더 홀(bleeder hole)을 또한 포함한다. 블리더 홀로부터의 유동은 대기로 또는 배기 하우징(500) 내로 나갈 수 있다.

배기 구역(400)의 제어 기능은 스티어링 장치(28)에 의해 제공되는 바와 같이 노즐 추력의 방향에 의해 포함된다. 지향하는 방향들은 위치 F, R, 그리고 그 사이의 방사상 위치들에서의 노즐의 작동과 연계된다.

고무 보호기(701)를 갖춘 후진 범퍼(700)는, 후면에서의, 또는 선박의 후진시의, 또는 예인용 앵커로부터의 래밍(ramming)에 의한 손상으로부터 스티어링 노즐 어셈블리(409)를 보호하도록 지정될 수 있다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 수압 볼 조인트 부품들(601, 602 및 603)을 포함하는 수압 트림(600)은 구동부의 유동 효율에 지나치게 영향을 주지 않고 항행중인 선박의 상향 또는 하향 트리밍을 허용할 수 있다. 가용 트림(600)은 노즐 유출물의 위치결정에 있어서 대략 20도 정도의 상향 또는 하향 변화를 수용할 수 있다. 수압 트립(600)의 내부 유동 특성은 평행할 수 있으며, 트림 디바이스의 입구 유동 속도와 출구 유동 속도는 가능한 한 동일할 수 있다. 트림(600)은 배기 슈라우드(shroud)와 함께, 또는 배기 슈라우드 없이 포함될 수 있다.

본 발명의 해양용 제트 추진 유닛(10)은 그 강도 및 부식에 대한 저항 특성을 고려하여 선택된 스테인리스 스틸로 제작되어 조립되는 것이 바람직하지만, 추진 유닛(10)의 하나 이상의 부품들에 대해서는 양호한 응집 강도, 충격 강도 및 구조 강도를 갖는 내식성 엔지니어링 알루미늄 또는 플라스틱이 적합할 것이다.

해양용 제트 추진 시스템(10)의 성능은 각각의 개별 구역의 기능의 상승작용적 상호관계에 의존한다는 점이 이해될 것이다. 각각의 개별 구역은 제트 추진 유닛(10)이 유효하게 기능할 수 있게 하는데 필요한 압력 및 유동 밸런스를 고려하여 비례적으로 및 대칭적으로 제작 및 조립되어야만 한다.

제트 추진 유닛(10)의 동력 요건에 관련된 성능의 예측성은 임펠러 블레이드들, 연계된 디퓨저 베인들 및 노즐의 설계 기준에 관한 특정한 원동기에 대하여 유닛이 미세 조정되게 할 수 있다.

본 발명의 앞선 기재는 그 설명 및 예시를 위한 것이다. 본 기술분야의 숙련자들에게는, 채용된 재료, 장치, 및 특정 부품에 있어서의 다양한 변화가 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들의 범위 및 정신 내에 상기와 같은 모든 변경들이 포함되어야 한다.

Claims (13)

1. 해양 선박용 장치로서,
   디퓨저(diffuser)/컨퓨저(confusor);
   스티어링 제어 노즐 어셈블리(steering control nozzle assembly); 및
   증가 레이디어스(increase radius)를 포함하되,
   상기 레이디어스는 상기 디퓨저/컨퓨저와 상기 스티어링 제어 노즐 어셈블리 사이의 천이 지점(transition point)에 도입되고, 상기 디퓨저/컨퓨저는 수류(water flow)의 형상과, 광범위한 선박 속도, 기동(maneuver) 및 해상 상태에 의해 제시되는 큰 압력차에 대하여 상응하는 가속을 제어하도록 되어 있는, 해양 선박용 장치.
2. 제1항에 있어서, 허브(hub)를 더 포함하되, 상기 허브는 큰 직경의 평평한 선단부, 감소하는 가변 직경의 중간 구역 및 작은 직경의 후단부를 포함하여, 그 중간을 통해 드릴링된 동심의 보어 및 중앙의 환형 단부 연장부를 가진 둥근 노우즈(nose)를 형성하는, 해양 선박용 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 디퓨저/컨퓨저는, 상기 허브에 대하여 대향하여 배치되는, 안쪽으로 경사진 볼록면과 환형의 내부를 포함하는, 해양 선박용 장치.
4. 제3항에 있어서, 동심의 외측 환형 캐비티를 더 포함하되, 상기 동심의 외측 환형 캐비티는 실질적으로 초과 중량의 감소를 위한 것으로 상기 허브에 일정한 두께로 이루어진 벽들을 제공하는, 해양 선박용 장치.
5. 제4항에 있어서, 동심의 내측 환형 보어를 더 포함하는, 해양 선박용 장치.
6. 제2항에 있어서,
   디퓨저/컨퓨저 블레이드; 및
   디퓨저/컨퓨저 베인(diffuser/confusor vane)들을 더 포함하되,
   상기 베인들은 상기 디퓨저/컨퓨저가 일정한 직경을 갖도록 상기 허브의 직경의 함수인 방사상 폭을 갖는, 해양 선박용 장치.
7. 제6항에 있어서, 각각의 블레이드의 두께는 에어포일(airfoil) 형상으로 될 수 있으며, 뭉툭해지거나 또는 뾰족해질 수 있는 에지 측부를 제외하고는 전역에 걸쳐 균일한 두께를 갖는, 해양 선박용 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 베인들은 임펠러의 지향 방향과는 반대 방향으로 만곡되는 선두 에지 및 전형적으로 허브 표면에 대해서 수직인 직선 구역을 포함하는, 해양 선박용 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 베인들의 만곡된 단부는 길이방향 평면에서 약 10도 내지 약 40도의 각도로 경사지고 상기 허브를 양분하며 상기 직선 구역을 통합하는, 해양 선박용 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 베인들은 조립된 허브의 윤곽 표면에 일 단부 상에 길이방향으로 견고하게 부착되는, 해양 선박용 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 디퓨저/컨퓨저에 바로 인접하여 배치된 임펠러; 및
    상기 허브의 바깥쪽으로 경사진 볼록면을 따라 고정된 임펠러 블레이드들을 더 포함하는, 해양 선박용 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 디퓨저/컨퓨저 베인들의 개수는 임펠러 블레이드들의 개수에 관하여 선택되는, 해양 선박용 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 임펠러 블레이드들 대 디퓨저/컨퓨저 베인들의 비율은 홀수:짝수 또는 그 반대인, 해양 선박용 장치.

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