SE469124B - Drivaggregat foer en fartygspropeller - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 469 124 2 över vattenytan, sä att också propellern i stor utsträck- ning syns ovanför vattenytan. Ibland förekommer det också, att dylika båtar vid relativt långsam gång framåt flyter på vattnet på vanligt sätt.

Vid dylika farkoster finns följande krav: motorn (företrä- desvis en kompressormatad dieselmotor) skall i hela hastig- hetsområdet arbeta i sitt övre varvtalsområde, dvs i områ- det med gott avgivet vridmoment. Dessutom erfordras, att i farkostens huvudsakliga driftområde, dvs vid den ovannämnda snabba färden framåt, skall drivaggregatet arbeta med så god verkningsgrad som möjligt. Dessutom finns kravet, att farkosten med hjälp av en s.k snabbstoppmanöver ("Crash- Stop") från full fart framåt under extremt kort tid skall kunna bringas till stillestånd. Likaså kan också en extremt snabb omkoppling från färd framåt till färd bakåt vara erforderlig. Båda fallen skall vara möjliga utan att motorns varvtal pressas i alltför hög grad.

Enligt uppfinningen kan alla dessa olika krav uppfyllas genom de i kännetecknande delen av patentkravet 1 angivna åtgärderna.

Genom användningen av en hydrodynamisk koppling med varia- bel fyllningsgrad sörjs till att börja med för att driv- aggregatets acceleration från stillestånd samt långsanlgång (vid vilken båten flyter på vattnet) kan äga rum problem- fritt, samma för båtens acceleration tills den går över i höghastighetsglidfärd. Denna glidfärd i det övre hastig- hetsområdet är båtens huvuddriftsomräde. I detta huvud- drifts område arbetar den hydrodynamiska.kopplingen.med sin maximala fyllningsgrad. Styrningen av farkostens hastighet sker här genom att variera motorvarvtalet. Vid långsam gång fylls däremot den hydrodynamiska kopplingen endast delvis.

Visserligen är härvid dess verkningsgrad relativt låg. Men driftstiden i detta tillstånd är mestadels relativt kort och man uppnår fördelen, att motorn fortfarande kan arbeta i området med gott avgivet vridmoment. I varje fall uppnås lO l5 20 25 30 35 3 tack vare uppfinningen, att man.med endast den hyrodynamis- ka kopplingen kan driva fordonet i hela det relativt stora hastighetsområdet framåt (t.ex mellan 4 och 50 knop). Man kan alltså avstå från en hydrodynamisk vridmomentomvandlare för färd framåt.

Vad som emellertid är problematiskt, är att för att inleda ovannämnda snabb-stopp-manöver mäste fyllningen.av backsla- get och den samtidiga tömningen av den hydrodynamiska kopp- lingen äga rum inom utomordentligt kort tid. Man måste här- vid ta hänsyn till, att den hydrodynamiska kopplingen (i avseende på variationen av fyllnadsgraden, företrädesvis under användning av en som mängdstyrventil utbildad in- loppsventil och en kontinuerligt öppen utloppskanal) töms förhållandevis långsamt vid snabb-stopp-signalen. Å andra sidan har backslaget företrädesvis en enkel öppen-stängd- inloppsventil, emellertid.med stor volym.för att möjliggöra en mycket snabb fyllning av backslaget. Efter det att snabb-stopp-signalen uppträder är alltså backslaget fyllt efter en kort tidsperiod, förutsatt att tömningen av kopp- lingen just påbörjar. Det har nu kunnat konstateras, att snabb-stopp-manövern ändå kan behärskas väl därigenom att man som backslag (enligt patentkravsdel l.e) använder en momentomvandlare 1ned relativt hög 'vridmomentomvandling.

Detta kommer att förklaras i detalj längre ner. Moment- omvandlare av detta slag är kända genom figur 34 i manu- skriptet "Hydrodynamische Mehrkreislaufgetriebe und ihre Anwendung" (föredrag den 28.03.1980, Tekniska Akademin i Esslingen).

Viktiga ytterligare uppfinningstankar (patentkrav 2) avser den korrekta avstämningen av vridmomenten, särskilt kopp- lingens vridmoment vid minimislip samt pump- och turbin- moment hos backslaget relativt motorns märkmoment. Den hydrodynamiska kopplingen dimensioneras, som i och för sig är känt, på ett sådant sätt, att den vid maximalt motor- varvtal (och sålunda vid det maximala propellervarvtalet) kan överföra motormärkmomentet vid minimislip (och sålunda 10 15 20 25 30 35 469 124 4 vid bästa möjliga verkningsgrad) till propellern. För att för snabb-stopp-manövern uppnå ett så gynnsamt förhållande hos drivaggregatet som möjligt, är det bl.a viktigt, att den i princip nödvändiga men endast kortvariga minskningen av motorvarvtalet begränsas till ett acceptabelt värde.

Detta uppnås bl.a därigenom, att backslaget (om detta fylls snabbt vid början av snabb-stopp-manövern) belastar motorn med ett endast förhållandevis litet ingångsmoment. Samti- digt måste emellertid också vid början av snabb-stopp- manövern backslagets turbin genast alstra ett så högt utgångsmoment som möjligt, för att så snabbt som möjligt bromsa propellern. Vad beträffar tendensen är turbinmomen- tet i backslagets motbromsområde som minst just vid början av snabb-stopp-manövern. Därför är det viktigt, att back- slaget dimensioneras på ett sådant sätt, att turbinmomen- tets minimivårde är tillräckligt stort i motbromsområdet.

Företrädesvis skall detta minimivärde uppgå till 1 till 2 gånger motorns märkmoment.

Den redan nämnda snabb-stopp-manövern gör det för övrigt erforderligt, att tömningen av' kopplingen äger rum så snabbt som möjligt. För detta ändamål har man noterat, att i begynnelsefasen av denna manöver blir kopplingsslipet under en.mycket kort tid ännu mindre än minimislipet. Detta fenomen kan - enligt en ytterligare uppfinningstanke - med hjälp av de i patentkravet 3 angivna åtgärderna utnyttjas för att tömningen av kopplingen skall ske så snabbt som möjligt. Dessutom kan de i patentkravet 4 angivna åtgärder- na vidtas för att likaså skynda på tömningen av kopplingen.

Om det i en farkost finns flera uppfinningsenliga drivagg- regat, om exempelvis de utgående axlarna från två backväx- lar är kopplade till en enda propeller, är det lämpligt, att använda de utmärkande dragen enligt patentkrav 5, såsom kommer att förklaras mera i detalj nedan.

Ett utföringsexempel av uppfinningen kommer i det följande att förklaras med hänvisning till ritningen. 10 15 20 25 30 35 469 124 5 Figur 1 är en schematisk framställning av ett drivaggregat med en hydrodynamisk backväxel och med det därtill hörande ledningssystemet för arbetsvätskan.

Figur 2 visar ett dellängssnitt genom backväxelns hydrody- namiska koppling.

Figur 3 är ett diagram som visar förloppet hos olika vrid- moment T som funktion av propellervarvtalet n.

I fig 1 noterar man en motor M, en backväxel med en hydro- dynamisk koppling 1 och med ett backslag i form av en hydrodynamisk reverserande momentomvandlare 2 samt en propeller 20, som skall drivas. En ingående axel 17 till backväxeln är å ena sidan ansluten till motorn M och å andra sidan med kopplingens 1 primärskovelhjul 21 och med backslagets 2 pumpskovelhjul 23. En från backväxeln utgå- ende axel 18 är kopplad till kopplingens sekundärskovelhjul 22 och till backslagets turbinskovelhjul 24. De ytterligare kraftöverföringselementen nællan.den utgående axeln.18 och båtens propeller 20 är visade endast symboliskt medelst streckade linjer. Det hydrodynamiska.backslaget har på känt sätt ett stationärt backslagshölje 25, medelst vilket de erforderliga stationära ledskovelkransarna är förbundna.

Den hydrodynamiska kopplingen 1 har en kopplingsskâl 26, som förbinder ingående axeln 17 med primärskovelhjulet 21.

Som arbetsvätska för backväxeln kan företrädesvis användas sjövatten, som medelst en påfyllningspump 3 från farkostens omgivning sugs in via en sugledning 3a och via ett filter 5. Den av motorn M via ingående axeln 17 mekaniskt drivna fyllpumpen 3 transporterar vattnet i en tryckledning 19 (med manometer 9). Tryckledningen 19 år via en inloppsven- til 7 förbunden med en inloppsledning 7a, vilken mynnar i den hydrodynamiska kopplingen. 1. Tryckledningen 19 är dessutom via en ytterligare inloppsventil 8 förbunden med en till backslaget 2 ledande inloppsledning 8a. Den till kopplingen 1 tillordnade tilloppsventilen 7 är utbildad som 10 15 20 25 30 35 469 124 6 mängdstyrventil. Eftersom dessutom kopplingen 1 uppvisar åtminstone en kontinuerligt öppen utloppskanal 27, kan man genom att variera genomströmningsmängden för inloppsventi- len i kopplingen 1 ställa in olika fyllningsgrad och sålun- da olika slipvärden. Härigenom kan man utan ändring av motorvarvtalet ställa in båtpropellerns 20 varvtal steglöst på olika värden. (Av detta drar man fördel huvudsakligst i det undre propellervarvtalsområdet_) Dessutom kan det vid behov vara anordnat enligt följande: Till tryckledningen 19 kan - för snabbfyllning av kopp- lingen 1. - vara anslutet ett ytterligare öppet-stängt- inlopp 6, vilket medelst en.mängdstyrventilen.7 kringgående ledning 7b är förbunden med kopplingens inloppsledning 7a.

Denna ventil 6 kan bortses ifrån, om det är möjligt, att vid behov mycket snabbt öppna mängdstyrventilen 7.

Den till backslaget 2 tillordnade tilloppsventilen 8 är likaså utbildad som öppen-stängd-ventil. För förenkling av systemet kommer omvandlaren.2 att antingen fyllas fullstän- digt eller tömmas fullständigt. Tömningen kan exempelvis ske via en ej visad öppen-stängd-utloppsventil eller före- trädesvis (som visat) via en kontinuerligt öppen och med ett strypställe 12 försedd utloppsöppning 28.

Det vatten, som lämnar kopplingen.1 och/eller backslaget 2, kommer in i en uppsamlingsbehållare 29 och transporteras därifrån med en frånvattenpump 4 och via en ledning 4a tillbaka ut i det fria. Tryckledningen 19 kan via en led- ning 16a (med en strypning 16) vara förbunden med frånvat- tenpumpens 4 sugledning. Härigenom förebygges risken att frånvattenpumpen.4 går torr. Tryckledningen 19 kan dessutom - under förbikoppling av inloppsventilerna 7 och 8 - medelst en förbikoppling 30 och.via vardera ett strypställe 10 och 11 vara förbunden med var och en av de båda inlopps- ledningarna 7a och 8a. Detta har betydelse, om en farkost uppvisar flera uppfinningsenliga drivaggregat, vars tryck- ledningar 19 kan vara förbundna medelst en förbindelseled- lO l5 20 25 30 35 469 124 7 ning 15 (dessutom är i detta fall vattenbehållarna 29 via en förbindelseledning 14 förbundna med strypningen 13). Om nu det i fig 1 visade drivaggregatet skulle vara ur drift, under det att ett annat med detta förbundet andra drivagg- regat är i drift, så kan via ledningarna 15, 30, 7a och 8a en mindre mängd arbetsvätska komma in i kopplingen 1 och backslaget 2 för kylning.

Fig 2 visar en ytterligare detalj i den hydrodynamiska kopplingen 1. I primärskovelhjulet 21 finns (förutom de i skålen 26 befintliga utloppskanalerna 27) åtminstone en ytterligare utloppskanal 31. Dess inströmningsöppning 32 ligger i det radiellt inre området av arbetskammaren.

Utloppskanalen 31 kan (som visat) bildas av ett på sidan uppskuret rörstycke. Till skillnad härifrån kan den emellertid också vara ingjuten i primärskovelhjulet 21. I varje fall bildar denna ytterligare utloppskanal 31 en anordning för att begränsa kopplingens fyllningsgrad.

Anordningen har utförts på sådant sätt, att vid den fyll- ningsgrad som maximalt kan uppnås, erhålles ett så litet minimislip som möjligt. Därmed kan drivaggregatet automa- tiskt arbeta under en längre tid med bästa möjliga verk- ningsgrad. En överfyllning av kopplingen och en därav resulterande ökning av minimislipet undviks sålunda.

Med den heldragna linjen.A visas den radiellt inre begräns- ningen av vätsketorus vid normal kraftöverföring och sålunda vid vanligt minimislip på t.ex 2 %. Den streckade linjen B visar däremot den radiellt inre begränsningen av vätsketorus för det fall, att backslaget 2 plötsligt fylls vid en snabb-stopp-manöver. Härvid är under en kort tid kopplingen 1 fortfarande fylld och sekundärskovelhjulets 22 varvtal ligger fortfarande på sitt fulla värde, varvtalet hos primärskovelhjulet 21 har sänkts något genom den av backslaget 2 förorsakade vridmomentstöten. Följden är, att en del av arbetsvätskan tas om hand av inströmningsöpp- ningen 32 i den ytterligare:utloppskanalen 31 och förs bort utåt (visat genom den streckade pilen 33). 10 20 25 30 35 469 121% 8 Under snabb-stopp-manöverns fortsatta.förlopp>äger emeller- tid senare rum en snabb varvtalsminskning på utgående axeln 18 och sålunda en ökning av kopplingsslipet. Härvid når en del av arbetsvätskan in i uppdämningskammaren 34. Det kan nu vara fördelaktigt, att man låter en del av denna arbets- vätska försvinna från uppdämningskammaren 34 direkt via utloppskanalen 31. Av andra skäl kan det emellertid också vara lämpligt, att förhindra detta därigenom att man stänger förbindelsen från uppdämningskammaren 34 till utloppskanalen 31 med en propp 35.

I den högra övre kvadranten av det i fig 3 visade diagram- met visas med en heldragen linje V förhållandet mellan propellerns vridmoment och propellerns 20 varvtal n (fig 1). Som man ser, följer propellermomentet V utgående från stillestànd (varvtalet = noll) först en relativt brant parabel T1. I detta undre varvtalsområde befinner sig propellern 20 fortfarande helt under vattenytan. I området kring maximalt propellervarvtal 1.0, löper propellermomen- tet V längs en väsentligen slät parabel T2. Vid detta driftstillstånd glider båten på ett visst avstånd ovanför vattenytan, så att endast det undre omrâdet av propellerns 20 rotationsyta doppar ner i vattnet. Därför är det erfor- derliga drivmomentet för propellern.i detta driftstillstånd relativt litet jämfört med startfasen. I mellanområdet, i vilket propellern 20 generellt blir synlig över vattenytan, övergår propellermomentet V från den branta parabeln T1 till den flata parabeln T2. I denna övergång har V-kurvan nära parabeln T1 en puckel H, exempelvis vid ca 30 f av det maximala propellervarvtalet.

Propellermomentet vid maximalt propellervarvtal n = 1.0 är betecknat med T = 1.0. Detta är företrädesvis lika med motorns M märkvridmoment. Som förklarats ovan, äger kraftöverföringen i detta område rum genom den hydrodyna- miska kopplingen 1. Sålunda är vridmomentet T = 1.0 dess- utom kopplingens 1 märkvridmoment vid dess minimislip. lO 15 20 25 30 35 469 124 9 O Ungefärligen i området mellan 50 och 100 s av det maximala propellervarvtalet drivs kopplingen 1 med största möjliga fyllningsgrad och med minimislip. I detta omrâde är motor- momentet alltid större eller lika med propellermomentet. I området med mindre propellervarvtal skulle emellertid motormomentet vara mindre än propellermomentet för så vitt man fortsättningsvis skulle driva kopplingen 1 med full fyllningsgrad. Här är det därför erforderligt, att driva kopplingen med delfyllning, alltså med större slipvârden, vilket tillåter motorn att vid högre varvtal avge ett högre vridmoment.

I den vänstra nedre kvadranten i fig 3 noterar man en med T3 betecknad parabel; denna.representerar propellermomentet vid körning bakåt, alltså vid drivning av propellern 20 via backslaget 2. Härvid flyter båten på och propellern är alltid under vattnet.

I den övre halvan av fig 3 visas dessutom förloppet av backslagets pumpmoment R1. Som man ser, ligger detta pump- moment R1 på ungefär hälften av motorns märkmoment. Dess- utom visas backslagets turbinmoment R2. I den högra undre kvadranten av fig 3 (detta är det s.k motbromsomrâdet) ligger detta turbinmoment ungefärligen mellan 1,5 och 2,5 gånger motorns märkmoment. Det högsta värdet ligger i när- heten av propellervarvtalet n = O. Det minsta i motbromsom- rådet förekommande värdet på turbinmomentet R2 ligger vid det maximala propellervarvtalet n = 1.0.

I det följande kommer nu den ovan redan nämnda snabbstopp- ningsmanövern att förklaras. Härvid måste propellerns varvtal exempelvis från maximivärdet n = 1.0 under kortast möjliga tid bringas till värdet noll eller till det nega- tiva området (färd.bakàt). Genom att backslaget 2 plötsligt fylls, belastas motorn.M plötsligen dessutom av backslagets pumpmoment R1. Härtill kommer, att backslagsturbinen 24 mycket snabbt utövar ett högt bromsmoment på.propelleraxeln 18. Eftersom kopplingen 1 töms relativt långsamt, överför lO 469 124 10 denna.bromsmomentet till den ingående axeln 17. Visserligen leder detta till den ovan redan nämnda minskningen av motorvarvtalet emellertid också samtidigt - redan under snabbstoppningsmanöverns begynnelsefas - till en tydlig reducering av propellervarvtalet, så att propellern.bromsar båten. Därefter töms kopplingen l mer och mer, så att motorvarvtalet snabbt åter ökar. Härigenom accelererar ökningen av backslagsturbinens moment längs kurvan R2, så att båten snabbt bringas till stillestånd eller övergår till körning bakåt.

Claims (1)

l0 l5 20 25 30 35 ll Patentkrav Drivaggregat för en båtpropeller (20) med en motor (M) , vilken avger ett bestämt motormärkmoment samt med en mellan motorn och propellern anordnad backväxel med följande utmärkande drag: a) backvåxeln omfattar för gång framåt en hydrodyna- misk koppling (1) med en torusformig arbetskammare, vilken är begränsad genom ett primärskovelhjul (21) och genom ett sekundärskovelhjul (22); b) backväxeln har för gång baklänges en hydrodynamisk vridmomentomvandlare (2) , vilken är utbildad som backslag och vilken också kan arbeta i ett mot- bromsområde ; c) kopplingens (1) primärskovelhjul (21) och ett pump- skovelhjul (23) i backslaget (2) är kopplade med en ingående axel (17) till backväxeln under det att kopplingens sekundärskovelhjul (22) och ett turbin- skovelhjul (24) i backslaget är kopplade till en utgående axel (18) i backväxeln, k ä n n e t e c k n a t genom följande utmärkande drag för användning av drivaggregatet i en glidbät vars pro- peller vid snabb färd framåt i stor utsträckning befin- ner sig ovanför vattenytan; I. d) för hela hastighetsområdet framåt finns endast en enda hydrodynamisk kraftöverföringsenhet nämligen den hyrodynamiska kopplingen (1) vars fyllnadsgrad är variabel; e) i backslagets (2) motbromsomràde ligger förhållan- det mellan det (negativa) turbinmomentet (R2) och (det positiva) pumpmomentet (Rl) i området mellan 2 och 5. Drivaggregat enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a t genom kombinationen av följ ande utmärkande drag: a) det genom den hydrodynamiska kopplingen (1) vid dess minsta slip (och sålunda vid maximalt propel- lervarvtal) överförbara vridmomentet är åtminstone 10 15 20 25 30 35 4e§ 124 12 tillnärmelsevis lika med motorns märkmoment (T =

1 . O) ; b) backslagets (2) pumpmoment (ingångsmoment Rl) upp- går åtminstone i motbromsområdet till endast unge- fär 40 - 70 %, företrädesvis 50 % av motorns märk- moment (T = 1.0); c) - minimivärdet av backslagets turbinmoment (utgångs- momentet R2) i motbromsområdet ligger ungefärligen vid 1,0 till 2,0 gånger motormärkmomentet (T = 1.0). Drivaggregat enligt patentkrav 1 eller 2, i vilket den hydrodynamiska kopplingen (1) har åtminstone en konti- nuerligt öppen utloppskanal (27) och en genomström- ningsmängden styrande inloppsventil (7), k ä n n e - t e c k n a t genom följande utmärkande drag: a) i den hydrodynamiska kopplingens (1) primärskovel- hjul (21) finns - för att uppnå ett så litet mini- mislip som nñjligt - några utloppskanaler (31), vilka leder från arbetskammaren utåt och är anord- nade på ett sådant sätt, att fyllnadsgraden i arbetskammaren vid minimislip är begränsat till ett bestämt (optimalt) värde; b) inströmningsöppningarna (32) för de ytterligare ut- loppskanalerna (31) ligger i. det radiellt inre området av arbetskammaren. Drivaggregat enligt patentkrav 2 eller 3, vid vilket radiellt innanför kopplingens arbetskammare finns en uppdämningskammare (34), k ä n n e t e c k n a t därav, att uppdämningskammaren (34) står i ledningsför- bindelse med de ytterligare utloppskanalerna (31). Drivaggregat enligt något av patentkraven 1 till 4, k ä n n e t e c k n a t genom följande utmärkande drag: a) till backväxeln är tillordnad en fyllpump (3) för arbetsvätska till vilken är ansluten en tryckled- 10 b) c) 4-69 124 13 ning (l9); tryckledningen (19) är via en kopplingsinloppsven- til (7) förbunden med en kopplingsinloppsledning (7a) och dessutonlvia en.backslagsinloppsventil (8) med en backslagsinloppsledning (8a); tryckledningen (19) är dessutom - under förbikopp- ling av inloppsventilerna (7, 8) - via vardera ett strypställe (10, ll) förbunden med var och en av de båda inloppsledningarna (7, 8).