NO334694B1

NO334694B1 - Device in a counter-rotating propulsion system (CRP).

Info

Publication number: NO334694B1
Application number: NO20053510A
Authority: NO
Inventors: Tomi Veikonheimo; Viadimir Alexandrovich Boushkovskiy; Alexander Vladimirovich Pustoshny; Sergey Viacheslavovich Kaprantzev; Irina Gennadievna Frolova
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2005-07-18
Publication date: 2014-05-12
Also published as: CA2509401A1; FI20022265A; ES2356628T3; RU2304545C2; US20060172632A1; EP1578662B1; KR20050084403A; WO2004056654A1; CA2509401C; RU2005122954A; JP2006510532A; FI115210B; DK1578662T3; AU2003292278B2; FI20022265A0; JP4005601B2; DE60335026D1; AU2003292278A1; EP1578662A1; CN1729123A

Abstract

In a counter rotating propulsion system (CRP), whereby the aft propeller ( 22 ) and the forward propeller ( 6 ) have opposite directions of rotating and the aft and forward propellers are arranged against each other, the forward propeller is provided with a hubcap ( 30 ), wherein at least two equally distributed flow plates ( 28 ) are arranged on the cap ( 30 ) and the flow plates ( 28 ) are radially projecting from the cap ( 30 ).

Description

Søknaden vedrører en anordning i et motroterende frem driftssystem (CRP). The application relates to a device in a counter-rotating forward operating system (CRP).

Fremdriftssystemet er vanligvis plassert i den akterenden i et marint fartøy. Propellene er utstyrt med navkapsel som normalt dekker propellfesteboltene. Sirkulasjo-nen av vann rundt hvert forovervendende propellblad former en strømvirvel nær navet før de samles til én navstrømvirvel. Denne navstrømvirvelkavitasjonen er kjent for å være svært skadelig for fremdriftsenheten og roret bak hovedpropellen. Navvirvelen er i seg selv erosiv, men kan også indusere andre skadelige former for kavitasjon på konstruksjonen, foreksempel på propellenheten eller akterpropell-bladet. The propulsion system is usually located at the stern of a marine vessel. The propellers are equipped with a hub cap which normally covers the propeller fixing bolts. The circulation of water around each forward-facing propeller blade forms a vortex near the hub before they coalesce into one hub vortex. This eddy current cavitation is known to be very damaging to the propulsion unit and the rudder behind the main propeller. The hub vortex is itself erosive, but can also induce other harmful forms of cavitation on the structure, for example on the propeller unit or the stern propeller blade.

Spesielt ved CRP-fremdriftskonseptet, hvor en annen propell er anordnet nært hovedpropellen, kan dette forårsake omfattende skader. Justering av fremdriftsenheten er ikke helt tilstrekkelig på grunn av erosive navvirvler. Disse vil forkorte vedli-keholdsintervallene til fremdriftssystemet, noe som øker de totale kostnadene. Especially with the CRP propulsion concept, where a second propeller is arranged close to the main propeller, this can cause extensive damage. Adjustment of the propulsion unit is not quite adequate due to erosive hub vortices. These will shorten the maintenance intervals of the propulsion system, which increases the total costs.

En vanlig metode å unngå navvirvelkavitasjon på, er ved bruk av en butt kapsel etter propellen som fjerner navvirvler som oppstår grunnet stor spredning etter navkapselen. I tilfeller med motroterende propell, kan denne metoden ikke brukes, siden spredningen utløser kavitasjon på akterpropellene, spesielt når akterror-propell kjøres i styremodus, slik at rorpropellen dreies med en vinkel. Dermed er for- og akterpropellene ikke koaksiale og bladene til akterpropellen vil under sin rotasjon krysse separasjonssonen. A common method of avoiding hub vortex cavitation is by using a blunt capsule after the propeller which removes hub vortices that occur due to large dispersion after the hub capsule. In cases of counter-rotating propellers, this method cannot be used, since the dispersion triggers cavitation on the stern thrusters, especially when the stern error thruster is operated in steering mode, so that the rudder thruster is turned at an angle. Thus, the fore and aft propellers are not coaxial and the blades of the aft propeller will cross the separation zone during their rotation.

Kjent teknikk på området fremgår av WO 01/54971, EP 0255136, EP 0758606 og DE 606119. Særlig viser WO 01/54971 et motroterende frem driftssystem omfattende en akterpropell installert på en dreibar rorpropell, og en forpropell. Propellene er anordnet langs samme aksielle linje, har motsatte rotasjonsretninger, og er anordnet mot hverandre, og hvor forpropellen håret nav med kapsel. Known technology in the area appears in WO 01/54971, EP 0255136, EP 0758606 and DE 606119. In particular, WO 01/54971 shows a counter-rotating forward operating system comprising a stern propeller installed on a rotatable rudder propeller, and a forward propeller. The propellers are arranged along the same axial line, have opposite directions of rotation, and are arranged opposite each other, and where the propeller hair hub with capsule.

Følgelig er det en hensikt med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en ny anordning som løser problemene forårsaket av strømvirvler. Denne hensikten opp-nås for CRP-systemet ved trekk som angitt i kravene 1 og 11. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new device which solves the problems caused by current eddies. This purpose is achieved for the CRP system by features as specified in requirements 1 and 11.

Ytterligere fordelaktige modifiseringer av oppfinnelsen erkarakterisert vedtrekkene i de uselvstendige krav. Further advantageous modifications of the invention are characterized by the features of the independent claims.

Oppfinnelsen vil redusere eller fjerne de ovenfor nevnte problemene ved CRP-fremdriftskonseptet og dermed beskytte akterpropellen og hele frem driftsenheten mot skader. Oppfinnelsen vil bedre evnen til å styre fremdriftsenheten bak forpropellene uten skader fra erosiv navvortexkavitasjon og uten farlig kavitasjon på bladene etter navet av frem overrettet kavitasjon. Dette vil føre til en lenger levetid og redusere reparasjonskostnadene til fremdriftsenheten. The invention will reduce or eliminate the above-mentioned problems of the CRP propulsion concept and thus protect the stern propeller and the entire forward operating unit from damage. The invention will improve the ability to control the propulsion unit behind the forward propellers without damage from erosive hub vortex cavitation and without dangerous cavitation on the blades after the hub from forward directed cavitation. This will lead to a longer life and reduce repair costs of the propulsion unit.

Oppfinnelsen er basert på en idé om å bryte strømmen av virvler forårsaket av bladene på forpropellen. Navkapselen til propellen har et ytre utseende som mer de-taljert er formet slik at det består av minst to likt fordelte strømningsplater som rager ut fra den ytre overflaten til navkapselen. Antallet strømningsplater er i prak-sis ikke høyere enn åtte, mens fire strømningsplater gir det mest effektive resulta-tet. The invention is based on an idea to break the flow of eddies caused by the blades of the front propeller. The hub capsule of the propeller has an external appearance which is shaped in more detail so that it consists of at least two equally distributed flow plates that protrude from the outer surface of the hub capsule. The number of flow plates is in practice no higher than eight, while four flow plates give the most efficient result.

På den annen side bør kapselen selv være godt strømlinjeformet med forholdet mellom kapseldiameter og kapsellengde på ikke mer enn to. Dette frembringer et fravær av utviklet separasjon etter navkapselen med plater og gjør det mulig å fjerne bladkavitasjon i separasjonssonen etter fornavet når rorpropellen ikke er koaksial med forpropellen. On the other hand, the capsule itself should be well streamlined with a ratio of capsule diameter to capsule length of no more than two. This produces an absence of developed separation after the hub capsule with plates and makes it possible to remove blade cavitation in the separation zone after the front hub when the rudder propeller is not coaxial with the forward propeller.

Fraværet av navvivler tillater en sikker drift av akterpropellen og den styrbare fremdriftsenheten. Oppfinnelsen er fordelaktig å implementere, siden det ikke kre-ver ytterligere endringer av strukturen, driften av fremdriftssystemet eller dens periferienheter. Videre kan oppfinnelsen tilpasses også til fremdriftsanordninger i bruk, siden oppfinnelsen hovedsakelig utføres ved en spesiell utforming av en sepa-rat komponent. The absence of hub swivels allows safe operation of the stern thruster and the steerable propulsion unit. The invention is advantageous to implement, since it does not require further changes to the structure, operation of the propulsion system or its peripheral units. Furthermore, the invention can also be adapted to propulsion devices in use, since the invention is mainly carried out by a special design of a separate component.

Ifølge et trekk ved oppfinnelsen er det installert en godt strømlinjeformet navkapsel på forpropellen mellom to propeller for å unngå separasjon etter fornavet. According to a feature of the invention, a streamlined hub capsule is installed on the front propeller between two propellers to avoid separation after the front hub.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen har navkapselen til forpropellen, strømnings-plater som er rette og lik hverandre. Dette gir en optimal effekt og en balansert utforming. According to another feature of the invention, the hub cap of the front propeller has flow plates which are straight and equal to each other. This gives an optimal effect and a balanced design.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen er antallet strømplater uavhengig av antallet blad på forpropellen og posisjonen til strømningsplatene er uavhengige av posisjonen til bladene på forpropellen. Dette trekket forenkler prosjektering og montering av navkapselen, siden det ikke er noe behov for å rette inn strømningsplatene til bladene på propellen. Den samme oppbyggingen av navkapselen kan brukes i for-skjellige propellkonfigurasjoner. According to another feature of the invention, the number of flow plates is independent of the number of blades on the front propeller and the position of the flow plates is independent of the position of the blades on the front propeller. This feature simplifies the design and assembly of the hub capsule, as there is no need to align the flow plates to the blades of the propeller. The same construction of the hub capsule can be used in different propeller configurations.

Et annet ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at den diametrale avstanden mellom kantspissene til platene er i området 0,4-2 ganger maksimum navdiameter. Innen dette området er effektiviteten til den oppfunne anordningen spesielt fordelaktig. Another further feature of the invention is that the diametrical distance between the edge tips of the plates is in the range of 0.4-2 times the maximum hub diameter. Within this area, the efficiency of the invented device is particularly advantageous.

Strømningsplatene er festet til navkapselen enten ved å bli fastgjort på navet til sveising eller ved hjelp av bolter. Størrelsen og formen på strømningsplatene er lett å endre og variere hvis dette er nødvendig, avhengig av respektive betingelser. Hvis strømningsplatene brukes på fartøy i bruk, kan denne muligheten være attrak-tiv. Alternativt kan navkapselen støpes som ett stykke med strømningsplatene, hvorved navkapselen kan behandles som et helhetlig stykke. The flow plates are attached to the hub cap either by being attached to the hub by welding or by means of bolts. The size and shape of the flow plates are easy to change and vary if this is necessary, depending on the respective conditions. If the flow plates are used on vessels in use, this option can be attractive. Alternatively, the hub capsule can be cast as one piece with the flow plates, whereby the hub capsule can be treated as a single piece.

Ifølge ytterligere fordelaktige trekk, er akterpropellen dreibar og akterpropellen brukes til å drive fremover og styre fartøyet. According to further advantageous features, the stern thruster is rotatable and the stern thruster is used to drive forward and steer the vessel.

Detaljer ved en foretrukket utførelse, så vel som fordeler og videre trekk ved oppfinnelsen vil komme frem fra den følgende beskrivelsen og fra figurene. I figurene: - Figur 1 viser en skjematisk skisse av et CRP arrangement ifølge oppfinnelsen. Details of a preferred embodiment, as well as advantages and further features of the invention will emerge from the following description and from the figures. In the figures: - Figure 1 shows a schematic sketch of a CRP arrangement according to the invention.

- Figur 2a er et sidesnitt av en navkapsel ifølge oppfinnelsen. - Figure 2a is a side section of a hub capsule according to the invention.

- Figur 2b viser en skisse av en navkapsel som i figur 2a, sett forfra. - Figure 2b shows a sketch of a hub capsule as in Figure 2a, seen from the front.

Figur 1 viseren fremdriftsinnretning 2 med motroterende propeller (CRP), plassert under skroget på fartøyet. Hovedfremdriftspropellen, også kalt en forpropell 6, er anordnet på hoveddrivaksen 8 som er holdt oppe via lager til skroget 4 på skipet. Forpropellen 6 drives for eksempel av en drivenhet slik som en dieselmotor, direkte eller via et elektrisk drivorgan som drives av en dieselgeneratorenhet ved hjelp av en frekvensomformer, ifølge velkjent teknikk. Drivenheten og lagrene og andre trekk ved kraftoverføringen bruker vanlig, godt kjent teknikk. Det er ingen grunn til å forklare denne i detalj for å forstå oppfinnelsen. Forpropellen 6 omfatter et nav 10 anordnet på drivaksen 8 og propellbladet 12 festet til navet 10. Antallet blader, helningen til bladene og størrelsen på bladene bestemmes ved dimensjonering av fremdriftssystemet for skip og kan variere fra tilfelle til tilfelle. Helningen på bladene kan også være regulerbar. Figure 1 shows propulsion device 2 with counter-rotating propeller (CRP), placed under the hull of the vessel. The main propulsion propeller, also called a front propeller 6, is arranged on the main drive shaft 8 which is held up via bearings to the hull 4 of the ship. The front propeller 6 is driven, for example, by a drive unit such as a diesel engine, directly or via an electric drive that is driven by a diesel generator unit by means of a frequency converter, according to well-known technology. The drive unit and the bearings and other features of the power transmission use common, well-known technology. There is no need to explain this in detail to understand the invention. The front propeller 6 comprises a hub 10 arranged on the drive shaft 8 and the propeller blade 12 attached to the hub 10. The number of blades, the inclination of the blades and the size of the blades are determined by sizing the propulsion system for ships and may vary from case to case. The inclination of the blades can also be adjustable.

Skroget 4 til skipet er utformet slik at bunnen av skroget krummer over forpropellen 8 og bunnen fortsetter på et høyere nivå etter forpropellen. Dermed er bunnen 14 på den bakerste delen av skipet høyere enn bunnen 16 på skipet foran forpropellen. Under bunnen 14 er det anordnet en dreibar styreanordning 18 som består av en asimut propellenhet, som for eksempel en AZIPOD® enhet, som styrer og driver fartøyet fremover. Styreanordningen 18 omfatter en aksel 20 som er under-støttet for å være dreibar 360° rundt sin vertikale akse. En strømlinjeformet kled-ning 21 som dekker drivmotoren til styrepropellen 22, er festet under akselen 20. Styrepropellen 22 drives av drivaksen 24 som er plassert på samme nivå som ak-sen 8 til forpropellen. The hull 4 of the ship is designed so that the bottom of the hull curves over the front propeller 8 and the bottom continues at a higher level after the front propeller. Thus, the bottom 14 of the rear part of the ship is higher than the bottom 16 of the ship in front of the forward propeller. Under the bottom 14, a rotatable control device 18 is arranged which consists of an azimuth propeller unit, such as an AZIPOD® unit, which controls and propels the vessel forward. The control device 18 comprises a shaft 20 which is supported to be rotatable 360° around its vertical axis. A streamlined fairing 21 which covers the drive motor of the steering propeller 22 is attached below the shaft 20. The steering propeller 22 is driven by the drive shaft 24 which is placed at the same level as the shaft 8 of the front propeller.

Ifølge CRP-konseptet vender den strømlinjeformede navkapselen 30 til forpropellen 6 og navkapselen 26 til styrepropellen 22 mot hverandre og forpropellen 6 og styrepropellen 22 roterer i motsatt retning når skipet beveger seg forover. Når man skal endre retningen på skipet, dreies styreanordningen 18 rundt den vertikale ak-sen til akslingen 20 med den hensikt å utføre den ønskede styrehandlingen. According to the CRP concept, the streamlined hub cap 30 of the forward propeller 6 and the hub cap 26 of the steering propeller 22 face each other and the forward propeller 6 and the steering propeller 22 rotate in opposite directions as the ship moves forward. When changing the direction of the ship, the steering device 18 is turned around the vertical axis of the shaft 20 with the intention of performing the desired steering action.

De roterende planene eller bladene til for- og styrepropellene er lenger fra hverandre enn den doble diameteren til forpropellen når propellene vender mot hverandre. Navkapselen til forpropellen 6 og navkapselen 26 til styrepropellen er dermed plassert mye nærmere hverandre. Strømvirvlene og spenningen forårsaket av dette påvirker derved i stor grad navkapselen til forpropellen og også styrepropellen. Ifølge teoriene bak den foreliggende oppfinnelsen er navvirvelkavitasjonen og ak-terpropellbladkavitasjonen med deres skadelige effekter minimalisert ved å anordne et godt strømlinjeformet nav 30 etter forpropellen og strømningsplater 28 på navkapselen 30. The rotating planes or blades of the forward and steering propellers are further apart than twice the diameter of the forward propeller when the propellers face each other. The hub cap of the front propeller 6 and the hub cap 26 of the steering propeller are thus placed much closer to each other. The current eddies and the tension caused thereby greatly affect the hub cap of the front propeller and also the steering propeller. According to the theories behind the present invention, hub vortex cavitation and aft propeller blade cavitation with their harmful effects are minimized by arranging a well streamlined hub 30 after the forward propeller and flow plates 28 on the hub capsule 30.

Ifølge en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen er fire strømningsplater 28 montert According to an advantageous embodiment of the invention, four flow plates 28 are mounted

symmetrisk eller med lik avstand mellom hverandre på den ytre overflaten av navkapselen 30 som vist i figurene 2a og 2b. Figuren 2a er et sidesnitt og figur 2b er et snitt sett forfra av navkapselen, når man ser fra akterenden til fartøyet. Navkapselen har en lengde L og diameter D hvorved forholdet D/L ikke er høyere enn 2. Strømningsplatene er rette plater som er sveist eller festet med bolter til overflaten på hovedpropellen av kapselen 2. Strømningsplatene 2 kan også støpes sammen med hele propellnavkapselen. Strømningsplaten monteres på hele lengden av kap- symmetrically or with equal distance between each other on the outer surface of the hub capsule 30 as shown in figures 2a and 2b. Figure 2a is a side section and figure 2b is a section seen from the front of the hub capsule, when viewed from the stern of the vessel. The hub capsule has a length L and diameter D whereby the ratio D/L is not higher than 2. The flow plates are straight plates that are welded or bolted to the surface of the main propeller of the capsule 2. The flow plates 2 can also be cast together with the entire propeller hub capsule. The flow plate is mounted on the entire length of the

seloverflaten og strømningsplatene er knyttet til hverandre på utsiden av kapsel-overflaten og strekker seg litt over toppkanten av kapselen. I dette eksempelet er høyden til strømningsplaten ikke større enn de radielle dimensjonene til kapselen. Dermed strekker ikke strømningsplaten seg utover diameteren til navkapselen. Strømningsplatene rager ut i en radiell retning fra navkapseloverflaten og de instal-leres i retningen til propellaksen uten noen helning. Det har blitt vist at avstanden mellom kantspissene til strømningsplatene kan variere i området 0,4 til 2 ganger maksimal navdiameter D. Følgelig tilsvarer dette området rundt 0,12 til 0,4 ganger propelldiameteren. the sealing surface and the flow plates are connected to each other on the outside of the capsule surface and extend slightly above the top edge of the capsule. In this example, the height of the flow plate is not greater than the radial dimensions of the capsule. Thus, the flow plate does not extend beyond the diameter of the hub capsule. The flow plates protrude in a radial direction from the hub capsule surface and they are installed in the direction of the propeller axis without any inclination. It has been shown that the distance between the edge tips of the flow plates can vary in the range of 0.4 to 2 times the maximum hub diameter D. Accordingly, this range corresponds to about 0.12 to 0.4 times the propeller diameter.

Antallet strømningsplater er ikke bundet opp til antallet propellblad og kan varieres fra to til åtte mens fire strømningsplater er funnet å være fordelaktig. Posisjonering av strømningsplatene er heller ikke bundet til posisjonen til propellbladene, men de kan være sammenfallende eller på siden av hverandre. The number of flow plates is not tied to the number of propeller blades and can be varied from two to eight, while four flow plates have been found to be advantageous. Positioning of the flow plates is also not tied to the position of the propeller blades, but they can be coincident or on the side of each other.

Oppfinnelsen har blitt beskrevet over ved å bruke en variant som eksempel. Oppfinnelsen kan ha mange andre utførelser, hvor omfanget av oppfinnelsen er definert i kravene. The invention has been described above using a variant as an example. The invention can have many other embodiments, where the scope of the invention is defined in the claims.

Claims

1. Device in a counter-rotating propulsion system (CRP), which forward operating system comprises a stern propeller (22) installed on a rotatable rudder propeller (18) and a forward propeller (6) installed on a shaft (8) or on a rudder propeller, which propellers are arranged in essentially the same axial line whereby the stern propeller (22) and the forward propeller (6) have opposite directions of rotation and the stern and the forward propellers are arranged against each other, and where the propellers have a hub with a capsule, characterized in that at least two equally distributed flow plates (28) are arranged on the capsule (30) of the front propeller (6) and that the flow plates (28) extend radially from the capsule (30).

2. Device according to claim 1, characterized in that the front hub capsule (30) is well streamlined.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the front hub capsule (30) has a diameter to length ratio that is not higher than 2.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the flow plates (28) are straight and equal to each other.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the number of flow plates (28) is independent of blades (12) on the front propeller (6) and the position of the flow plates (28) is independent of the position of the blades on the front propeller.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance between the edge tips of the plates (28) is in the range of 0.4 to 2 times the maximum hub diameter.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the plates (28) are integrated with the capsule (30).

8. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the plates (28) are attached to the capsule (30) by welding or with bolts.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the stern propeller (22) is rotatable and that the stern propeller (22) is used to propel and steer the vessel.

10. Facility according to requirements 1 to 9, characterized in that the stern propeller (22) that comes after the front propeller (6) has a streamlined capsule (26).

11. Device in a counter-rotating propulsion system (CRP) comprising a stern propeller (22) mounted on a rotatable rudder propeller (18) and a forward propeller (6) mounted on a shaft (8) or a rudder propeller whereby the stern propeller and the forward propeller are arranged on essentially the same axial line, where the stern propeller (22) and the forward propeller (6) have opposite directions of rotation and the stern and forward propellers are arranged opposite each other, in which the propellers have a hub with a capsule, whereby at least two equally distributed flow plates (28) are arranged on the capsule ( 30) to the front propeller (6) and the flow plates (28) extend radially from the capsule (30).