NO171959B - Drivanordning for baatpropell - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en drivanordning for en båtpropell, og som omfatter en motor som avgir et bestemt nominelt dreiemoment, samt en vekslegirinnretning anordnet mellom motoren og propellen, og som i detalj har de kjennetegn som er angitt i innledningen til patentkrav 1. En drivanordning av denne art er kjent fra patentskriftet US-PS 2 298 310. Denne kjente drivanordning utnytter en fordel ved et rent hydrodynamisk vekslegir, og som består i at veksling av bevegelsesretning kan utføres ved bare å omfylle et andre hydrodynamisk arbeidskretsløp. Når for eksempel den hydrodynamiske kobling er fylt for foroverbevegelse og man ønsker å skifte om til bakoverbevegelse, behøves bare fylling av reverseringsomformeren og samtidig tømming av koblingen. Man kan derved på relativ kort tid gjennomføre vekslemanøve-ren uten slitasje, da mekaniske omkoblerelementer ikke er nødvendig for vekslemanøveren.

1 henhold til det allerede nevnte patentskrift US-PS

2 298 310 foreligger det foruten den hydrodynamiske kobling en ytterligere hydrodynamisk dreiemomentomformer for fremoverretningen. Fra patentskriftet US-PS 4 305 710 er det likeledes kjent en drivanordning for skipspropeller, hvor kraftoverføringen ved fremoverbevegelse enten utføres over en lamellkobling eller over en hydrodynamisk dreiemomentomformer og ved bakoverbevegelse igjen over en hydrodynamisk dreiemo-mentomf ormer . Mekaniske koblinger som for eksempel lamell-koblinger har imidlertid den ulempe at de er utsatt for slitasje. Ved foroverbevegelse ved hjelp av kraftoverføring over en hydrodynamisk dreiemomentomformer må det over et lengre tidsrom tas hensyn til den ulempe at virkningsgraden for en hydrodynamisk dreiemomentomformer av naturlige grunner er forholdsvis lav.

Det hører med til oppfinnelsens oppgave å utføre drivanordningen således at den er egnet for forholdsvis små fartøyer som har meget stort hastighetsområde. Drivanordningen skal særlig være egnet for såkalte planende båter som ved rask fremoverbevegelse hever seg over vannflaten (på grunn av hydrodynamiske oppdriftskrefter), slik at også propellen i stor grad kommer over vannflaten. Forøvrig forekommer det at denne type båter på vanlig måte synker ned i vannet ved forholdsvis langsom fremoverbevegelse.

For fartøyer av denne type gjelder følgende fordringer: Motoren (fortrinnsvis en turboladet dieselmotor) skal i hele hastighetsområdet arbeide i sitt øvre omdreiningstallområde, dvs. i området med god dreiemomentytelse. I tillegg kreves det at drivanordningen arbeider med best mulig virkningsgrad i fartøyets hovedbruksområde, dvs. ved den ovenfor nevnte raske fremoverbevegelse. Utover dette er det en betingelse at fartøyet ved hjelp av en såkalt hurtigstoppmanøver må bringes fra full fremoverbevegelse til stillstand på ekstremt kort tid. Likeså kan også en ekstremt rask omveksling fra fremover- til bakoverbevegelse være ønskelig. Begge deler skal være mulig uten at motorens omdreiningstall presses for høyt.

I henhold til oppfinnelsen kan alle disse forskjellige fordringer oppfylles ved hjelp av de tiltak som er angitt i karakteristikken i patentkrav 1.

Ved å anvende en hydrodynamisk kobling med variabel fyllingsgrad sørges det således for at igangsetting av drivanordningen fra stillstand, såvel som langsom fart (hvorved båten er nedsunket i vannet), kan finne sted uten problemer, og likeledes også akselerasjon av båten opp til overgangen til planende topphastighet. Denne planende bevegelse i det øvre hastighetsområde er båtens hovedbruksområde. I dette hovedbruksområde arbeider den hydrodynamiske kobling med sin maksimale fyllingsgrad. Styringen av båtens hastighet skjer her ved å variere motorens omdreiningstall. Ved sakte fart fylles derimot den hydrodynamiske kobling bare delvis. Riktignok er koblingens virkningsgrad da forholdsvis dårlig, men driftsvarigheten i denne tilstand er for det meste forholdsvis kort og man oppnår den fordel at motoren som tidligere kan arbeide i et område med god dreiemomentytelse. I alle tilfelle lykkes det takket være oppfinnelsen at man kan drive fartøyet i hele det forholdsvis store fremoverhas-tighetsområde (f.eks. mellom 4 og 50 knop) utelukkende ved hjelp av den hydrodynamiske kobling. En hydrodynamisk dreiemomentomformer for fremoverdrift er altså ikke nødven-dig.

Det er imidlertid problematisk at fyllingen av reverseringsomformeren og den samtidige tømming av den hydrodynamiske kobling må finne sted på særdeles kort tid for å innlede den ovenfor nevnte hurtigstoppmanøver. Man må her ta i betrakt-ning at den hydrodynamiske kobling (med henblikk på å variere fyllingsgrad, fortrinnsvis ved anvendelse av en innløpsventil utført som mengdestyringsventil og en varig åpnet utløpsventil) som reaksjon på hurtigstoppsignalet tømmer seg forholdsvis langsomt. På den annen side har reverseringsomformeren fortrinnsvis en enkel, men likevel grovkalibret av/på-innløpsventil for å muliggjøre rask fylling av reverseringsomformeren. Etter at hurtigstoppsignalet har opptrådt fylles altså reverseringsomformeren i løpet av et kort tidsrom, mens tømmingen av koblingen først nettopp er begynt. Man erkjente imidlertid nå at hurtig-stoppmanøver en kunne beherskes på en god måte ved å benytte en omformer med forholdsvis høy dreiemomentomforming som reverseringsomformer (kfr. punkt e i patentkrav 1). Dette forklares i detalj lenger nede. Omformere av denne art er kjent fra bilde 34 i manuskriptet "Hydrodynamische Mehrkreis-laufgetriebe und ihre Anwendung" (foredrag av 28.03.1980, Technische Akademie Esslingen).

Ytterligere viktige ideer ved oppfinnelsen (patentkrav 2) angår riktig avstemning av dreiemomentet, særlig dreiemomentet til koblingen ved minimumssluring, såvel som pumpe- og turbindreiemomentet til reverseringsomformeren i forhold til motorens nominelle dreiemoment. På for så vidt kjent måte dimensjoneres den hydrodynamiske kobling således at den ved maksimalt motoromdreiningstall (og derved ved det største propellomdreiningstall) kan overføre motorens nominelle dreiemoment ved minimumssluring (og derved med best mulig virkningsgrad) til propellen. For å oppnå gunstigst mulig forhold for hurtigstoppmanøveren av drivanordningen, er det bl.a. viktig at den i prinsippet nødvendige, men bare kortvarige økning av motorens omdreiningstall begrenses til en passende verdi. Dette oppnås bl.a. ved at reverseringsomformeren (når denne i begynnelsen av hurtigstoppmanøveren fylles raskt) belaster motoren med et inngangsdreiemoment som bare er forholdsvis lite. Like ved begynnelsen av hurtig-stoppmanøveren må imidlertid turbinen i reverseringsomformeren samtidig frembringe et høyest mulig utgangsdreie-moment for å kunne avbremse propellen raskest mulig. Allerede ved begynnelsen av hurtigstoppmanøveren har turbindreiemomentet i avbremsningsområdet til reverseringsomformeren tendens til å være for lite. Det er derfor viktig å dimensjonere reverseringsomformeren således at minsteverdien av turbindreiemomentet i avbremsningsområdet er tilstrekkelig stor. Fortrinnsvis skal denne minsteverdi beløpe seg til 1-2 ganger motorens nominelle dreiemoment.

Den allerede nevnte hurtigstoppmanøver gjør det bl.a. nødvendig at tømmingen av koblingen finner sted raskest mulig. Man erkjente at i begynnelsesfasen av denne manøver blir koblingssluringen noe mindre enn minimumssluringen for et meget kort tidsrom. Dette fenomen kan i henhold til en ytterligere ide ved oppfinnelsen, utnyttes ved hjelp av de tiltak som er angitt i patentkrav 3 slik at tømmingen av koblingen finner sted raskest mulig. I tillegg kan de tiltak som er angitt i patentkrav 4 settes inn for likeledes å fremskynde tømmingen av koblingen.

I tilfelle et fartøy utrustes med flere drivanordninger i henhold til oppfinnelsen, f.eks. ved at utgangsakslene fra to vekslegirinnretninger er tilkoblet en eneste propell, er det hensiktsmessig å ta i bruk de kjennetegn som er angitt i patentkrav 5, og som lenger nede forklares i detalj.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen forklares nedenfor under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av en drivanordning med en hydrodynamisk vekslegirinnretning og med et

dertil tilhørende ledningssystem for arbeidsvæske, fig. 2 viser et snitt gjennom en del av den hydrodynamiske

kobling i vekslegirinnretningen,

fig. 3 er et diagram som viser forløpet av forskjellige dreiemoment T i forhold til propellomdreiningstallet n.

I fig. 1 er det vist en motor M, en vekslegirinnretning med en hydrodynamisk kobling 1 og med en hydrodynamisk reverse-ringsomf ormer 2, så vel som en båtpropell 20 som skal drives. En inngangsaksel 17 er på den ene side tilknyttet motoren M og på den annen side forbundet med primærskovlhjulet 21 i koblingen 1 og med pumpeskovlhjulet 23 i reverseringsomformeren 2. En utgangsaksel 18 fra vekslegirinnretningen er tilknyttet det sekundære skovlhjul 22 i koblingen samt til turbinskovlhjulet 24 i reverseringsomformeren. De øvrige kraftoverføringselementer mellom utgangsakselen 18 og båtpropellen 20 er bare symbolsk fremstilt ved hjelp av stiplede linjer. Den hydrodynamiske reverseringsomformer 2 har på kjent måte et fastgjort omformerdeksel 25 som de nødvendige stasjonære ledeskovlkranser er forbundet med. Den hydrodynamiske kobling 1 har en inngangsaksel 17 forbundet med det primære skovlhjul 21 på koblingsdekslet 26.

Som arbeidsvæske for vekslegirinnretningen kan det fortrinnsvis benyttes sjøvann som ved hjelp av en påfyllingspumpe 3 via en sugeledning 3a og over et filter 5 suges fra fartøyets omgivelse. Påfyllingspumpen 3 som drives mekanisk av motoren over inngangsakselen 17 mater vannet inn i en trykkledning 19 (med manometer 9). Trykkledningen 19 er via en innløpsventil 7 forbundet med en innløpsledning 7a som munner ut i den hydrodynamiske kobling 1. Trykkledningen 19 er dessuten via en ytterligere innløpsventil 8 forbundet med en innløpsledning 8a som fører til reverseringsomformeren 2. Den innløpsventil 7 som er tilordnet koblingen 1 er utført som en mengdestyringsventil. Da koblingen 1 dessuten oppviser i det minste en varig åpnet utløpskanal 27, kan man, ved å variere gjennomstrømningsmengden i innløpsventilen 7, innstille forskjellige fyllingsgrader i koblingen 1 og derved forskjellige sluringsverdier. Dertil kan man uten å endre motorturtall innstille omdreiningstallet til båtpropellen 20 trinnløst til forskjellige verdier. (Her gjør man i hovedsak bruk av det nedre propellomdreiningstallområde.) Ved behov kan i tillegg følgende tiltak gjøres: For rask fylling av koblingen 1 kan det i trykkledningen 19 settes inn en tilleggs-av/på-innløpsventil 6 som ved hjelp av en ledning 7b som omgår mengdestyringsventilen 7, er forbundet med innløpsledningen 7a til koblingen. Men denne ventil 6 kan det når det er mulig ved behov unngås å åpne mengdestyringsventilen 7 meget raskt.

Den innløpsventil 8 som er tilordnet reverseringsomformeren 2 er likeledes utført som av/på-ventil. Til forenkling av systemet blir derved omformeren 2 enten helt fylt eller helt tømt. Tømmingen kan for eksempel foregå over en av/på-utløpsventil (ikke vist) eller fortrinnsvis (som vist) over en varig åpnet utløpsåpning 28 forsynt med et strupested 12.

Det vann som forlater koblingen 1 og/eller omformeren 2 havner i en samlebeholder 29 og pumpes derfra ved hjelp av en lensepumpe 4 over en ledning 4a ut i det fri. Trykkledningen 19 kan over en ledning 16a (som har et strupested 16) være forbundet med sugeledningen fra lensepumpen 4. Derved forebygges faren for at lensepumpen 4 skal gå tørr. Ved omgåelse av innløpsventilene 7 og 8 kan trykkledningen 19 dessuten ved hjelp av en omgåelsesledning 30 være forbundet med begge innløpsledningene 7a og 8a over strupesteder 10 og 11 i hver av ledningene. Dette er av betydning hvis et fartøy oppviser flere drivanordninger i henhold til oppfinnelsen, og hvis trykkledninger 19 ved hjelp av en forbindelsesledning 15 kan være innbyrdes forbundet (dessuten er i dette tilfelle vannbeholderne 29 forbundet med hverandre ved hjelp av en forbindelsesledning 14 utstyrt med et strupested 13). Om så drivanordningen vist i fig. 1 skulle være ute av drift mens en annen drivanordning forbundet med denne er i drift, kan det over ledningene 15, 30, 7a og 8a komme en liten arbeidsvæskemengde i koblingen 1 og i omformeren 2 for kjøleformål.

Fig. 2 viser enkelte ytterligere detaljer ved den hydrodynamiske kobling 1. I det primære skovlhjul 21 er det (i tillegg til de utløpskanaler 27 som befinner seg i dekslet 26) i det minste en ytterligere utløpskanal 31. Dennes innstrømningsåpning 32 ligger i det radialt indre område av arbeidsrommet. Utløpskanalen 31 kan (som vist) være utført som et sideveis utsnittet rørstykke. Avvikende fra dette kan den imidlertid også være innstøpt i det primære skovlhjul 21. I dette tilfelle danner denne tilleggsutløpskanal 31 en innretning for begrensning av koblingens fylningsgrad. Anordningen er således beskaffet at ved den maksimalt oppnåelige fylningsgrad er det mulig å oppnå en minst mulig minimumssluring. Derved kan drivanordningen arbeide selvstendig med best mulig virkningsgrad over lengre tid. Derved unngås overfylling av koblingen og en derav resul-terende økning av minimumssluringen.

Den gjennomgående linje A viser den radiale indre begrensning av væsketorusen ved normal kraftoverføring og derved ved vanlig minimumssluring på f.eks. 2 %. Den stiplede linje B viser derimot den radiale indre begrensning av væsketorusen i det tilfelle at omformeren 2 plutselig fylles ved en hurtigstoppmanøver. Da er koblingen 1 fortsatt fylt i et kort tidsrom og omdreiningstallet til det sekundære skovlhjul 22 er fortsatt ved sin fulle verdi, mens omdreiningstallet til det primære skovlhjul 21 er noe senket på grunn av omdreiningsstøtet forårsaket av omformeren 2. Dette fører til at en del av arbeidsvæsken fra innstrømningsåpningen 32 til tilleggsutløpskanalen 31 oppfanges og føres mot utsiden (som vist ved hjelp av en stiplet pil 33).

I det videre forløp av hurtigstoppmanøveren finner det imidlertid sted en rask reduksjon i omdreiningstallet på utgangsakselen 18 og dermed en økning av koblingssluringen. En del av arbeidsvæsken kommer da inn i samlrommet 34. Det kan nå være fordelaktig at man lar en del av denne arbeidsvæske umiddelbart lekke ut fra samlerommet 34 over utløpska-nalen 31. Av andre grunner kan det imidlertid også være hensiktsmessig å hindre dette, idet man lukker forbindelsen fra samlerommet 34 til utløpskanalen 31 med en stopper 35.

I diagrammet vist i det høyre, øvre kvadrat av fig. 3 er propelldreiemomentets avhengighet av omdreiningstallet n til propellen 20 (fig. 1) gjengitt med en heltrukken linje V. Som man ser med utgangspunkt fra stillstand (omdreiningstall = null) følger propelldreiemomentet V nesten en forholdsvis steil parabel Tl. I dette nedre omdreiningstallområde befinner propellen 20 seg fortsatt helt under vannflaten. I området med maksimal propellomdreiningstall 1.0 følger propelldreiemomentet V en vesentlig flatere parabel T2. I denne driftstilstand glir båten i en viss avstand over vannflaten, således at bare den aller nederste del av propellens rotasjonsflate når ned i vannet. I denne driftstilstand trenger derfor propellen 20 en forholdsvis lav drivkraft sammenlignet med oppstartsfasen. I mellomområdet hvor propellen generelt dukker opp av vannet, går propelldreiemomentet V over fra den bratte parabel Tl til den flatere parabel T2. I denne overgang har V-kurven en knekk H i nærheten av parabelen Tl, eksempelvis ved ca. 30 % av det maksimale propellomdreiningstall.

Propelldreiemomentet ved det maksimale propellomdreiningstall n = 1.0 er betegnet med T = 1.0. Dette er fortrinnsvis likt med motorens nominelle dreiemoment. Som forklart ovenfor finner kraftoverføringen sted i dette område ved hjelp av den hydrodynamiske kobling 1. Dermed er dreiemomentet T = 1.0 likt med det nominelle dreiemoment for koblingen 1 ved dennes minimumssluring.

I området omtrent mellom 50 og 100 % av det maksimale propellomdreiningstall drives koblingen 1 med størst mulig fyllingsgrad og minimumssluring. I dette område er motordreiemomentet alltid større enn eller likt med propelldreiemomentet. I området med lavere propellomdreiningstall vil imidlertid motordreiemomentet være mindre enn propelldreiemomentet, så sant man fortsatt driver koblingen 1 med full fyllingsgrad. Her er det derfor ønskelig å drive koblingen med delfylling, altså med høyere slureverdier, og som motoren tillater for avgivelse av et høyere dreiemoment ved høye omdreiningstall.

I det venstre, nedre kvadrat i fig. 3 er det gjengitt en parabel T3 som viser propellens dreiemoment ved bakoverbevegelse, altså ved drift av propellen 20 over reverseringsomformeren 2. I dette tilfelle forblir båten og propellen fast nedsunket i vannet.

I den øvre halvdel av fig. 3 er også forløpet til reverse-ringsomf ormerens pumpedreiemoment Ri fremstilt. Som man ser ligger dette pumpedreiemoment RI omtrent ved halvparten av det nominelle motordreiemoment. Utover dette er reverse-ringsomf ormerens turbindreiemoment R2 også vist. I det høyre, nedre kvadrat i fig. 3 (som utgjør det såkalte avbremsningsområde) ligger dette turbindreiemoment omtrent mellom 1,5 og 2,5 ganger motorens nominelle dreiemoment. Den høyeste verdi ligger i nærheten av propellomdreiningstallet n = 0. Den minste verdi av turbindreiemomentet R2 som forekommer i avbremsningsområdet ligger ved det maksimale propellomdreiningstall n = 1.0.

I det etterfølgende vil den allerede ovenfor nevnte hurtig-stoppmanøver bli forklart. Da må propellomdreiningstallet på kortest mulig tid bringes for eksempel fra maksimalverdien n = 1.0 til verdien null eller til det negative område

(bakoverbevegelsesområdet). Ved hjelp av den plutselige fylling av omformeren 2, blir motoren M plutselig i tillegg belastet av reverseringsomformerens pumpedreiemoment RI. Hertil kommer at omformerens turbin 24 meget raskt utøver et høyt bremsedreiemoment på propellakselen 18. Da koblingen 1 tømmer seg forholdsvis langsomt, overfører dette bremsedreie-momentet til inngangsakselen 17. Riktignok fører dette til den ovenfor nevnte økning av motoromdreiningstallet, men likeledes også, allerede i begynnelsesfasen av hurtigstopp-manøveren, til en tydelig redusering av propellens omdreiningstall, således at propellen avbremser båten. Deretter tømmer koblingen 1 seg mer og mer, således at motorens omdreiningstall igjen raskt stiger. Herved øker stigningen i omformerens turbindreiemoment langs kurven R2, således at båten raskt kommer til stillstand eller går over til bakoverbevegelse.

Claims (5)

1. Drivanordning for båtpropell (20), og som omfatter en motor (M) som avgir et bestemt nominelt dreiemoment, samt en vekslegirinnretning anordnet mellom motoren og propellen, og som har følgende kjennetegn: a) vekslegirinnretningen omfatter en hydrodynamisk kobling (1) for fremoverbevegelse, og med et torusformet arbeidsrom som er avgrenset av henholdsvis et primært skovlhjul (21) og et sekundært skovlhjul (22), b) vekslegirinnretningen har en hydrodynamisk dreiemomentomformer (2) for bakoverbevegelse, og som er utført som reverseringsomformer og som også kan arbeide i et avbremsningsområde, c) det primære skovlhjul (21) i koblingen (1) og et pumpe-skovlhjul (23) i reverseringsomformeren (2) er tilknyttet en inngående akse (17) til vekslegirinnretningen, mens koblingens sekundære skovlhjul (22) og et turbinskovlhjul (24) i reverseringsomformeren er tilknyttet en utgående akse (18) fra vekslegirinnretningen, karakterisert ved følgende trekk, for anvendelse som drivanordning i en planende båt, hvis propell i stor grad befinner seg over vannflaten ved høy hastighet fremover: d) for hele hastighetsområdet for fremoverbevegelse foreligger det bare en eneste hydrodynamisk kraftover-føringsenhet, nemlig den dynamiske kobling (1), hvis fyllingsgrad er variabel, e) i avbremsningsområdet til reverseringsomformeren (2) ligger forholdet mellom det (negative) turbin-dreiemoment (R2) og det (positive) pumpe-dreiemoment (RI) i området mellom 2 og 5.

2. Drivanordning ifølge krav 1, karakterisert ved kombinasjonen av følgende trekk: a) det overførbare dreiemoment gjennom den hydrodynamiske kobling (1) ved dennes minimumssluring (og således ved det største propellomdreiningstall) er i det minste tilnærmet lik motorens nominelle dreiemoment (T = 1.0), b) pumpe-dreiemomentet (det inngående dreiemoment RI) for reverseringsomformeren (2) beløper seg i det minste i avbremsningsområdet til bare omtrent 40 - 70 %, fortrinnsvis 50 %, av motorens nominelle dreiemoment (T = 1.0), c) minimumsverdien av turbin-dreiemomentet (det utgående dreiemoment R2) for reverseringsomformeren i avbremsningsområdet ligger omtrent på 1,0 til 2,0 ganger motorens nominelle dreiemoment (T = 1.0).

3. Drivanordning ifølge krav 1 eller 2, og hvor den hydrodynamiske kobling (1) i det minste har en varig åpnet utløps-kanal (27) og en innløpsventil (7) som styrer gjennomstrøm-ningsmengden, karakterisert ved følgende trekk: a) for å oppnå en lavest mulig minimumssluring, foreligger det i det primære skovlhjul (21) i den hydrodynamiske kobling (1) enkelte tilleggsutløpskanaler (31) som fører fra arbeidsrommet mot utsiden og som er slik anordnet at fyllingsgraden i arbeidsrommet ved minimumssluring er begrenset til en bestemt (optimal) verdi, b) innstrømningsåpningene (32) til tilleggsutløpskanalene (31) ligger i det radialt indre område av arbeidsrommet.

4. Drivanordning ifølge krav 2 eller 3, og hvor et samle-rom (34) befinner seg radialt innenfor koblingens arbeidsrom, karakterisert ved at samlerommet (34) står i ledningsforbindelse med tilleggsutløpskanalene (31).

5. Drivanordning ifølge krav 1-4, karakterisert ved følgende trekk: a) vekslegirinnretningen er tilordnet en påfyllingspumpe (3) for arbeidsvæske, til hvilken en trykkledning (19) er tilknyttet, b) trykkledningen (19) er over en koblingsinnløpsventil (7) forbundet med en innløpsledning (7a) til koblingen og dessuten over en omformer-innløpsventil (8) forbundet med en innløpsledning (8a) til omformeren, c) ved omgåelse av innløpsventilene (7, 8) er dessuten trykkledningen (19) forbundet med begge innløpsledningene (7a, 8a) over hvert sitt strupested (10, 11).