SE531482C2 - Arrangemang för framdrivning och styrning av ett fartyg - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 35 Eišfi 482%. ett ytterligare syfte med uppfinningen att erbjuda ett arrangemang för styrning och fiamdrivning, vilket arrangemang har förbättrad manövrerbarhet utan att öka rodermaskineriets vridmoment.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt uppfinningen innefattar ett arrangemang för framdrivning och styrning för ett fartyg en roterande propeller med ett nav och ett eller flera propellerblad. Företrädesvis har propellem åtminstone två propellerblad. Ett svängbart roder är anordnat bakom propellem i fartygets rörelseriktriing. Rodret är vridet, dvs. krökt istället tör plant. En strömlinj eforrnad 'framdrivningsbulb är integrerad med rodret och placerad bakom propellem på så sätt att havsvatten som pressas bakåt av propellem kommer att strömma runt bulben. Bulbens framände är åtskiljd från propellem och dess nav, genom en spalt.

Spalten mellan bulben och propellem överbryggas av en navkapsel. I föredragna utfóringsfonner av uppfinningen möter navkapseln bulben vid ett läge mellan propellem och den del av bulben där bulben uppnår sin maximala diameter. Navkapseln och den främre änden av bulben är utformade att upprätthålla ett konstant avstånd mellan bulben och navet, då rodret svängs.

Bulbens maximala diameter kan vara lika med propellernavets diameter. I fördelaktiga uttöringsforrner av uppfinningen är dock bulbens maximala diameter större än propellernavets diameter. Propellernavets maximala diameter kan vara från l % till 40 % större än propellernavets diameter och företrädesvis 20 % större.

Bulben kan sträcka sig längs en axel som är parallell med eller koaxiell med propellerns rotationsaxel, men i en alternativ uttöringsform kan den också sträcka sig längs en axel som definierar en spetsig vinkel gentemot propellerns rotationsaxel. I den alternativa uttöringsformen kan bulbens bakre ände ligga på en nivå ovanför bulbens främre ände, så att vinkeln mellan bulben och propelleraxeln är 1°-14°. Vinkeln mellan bulben och propelleraxeln är företrädesvis 3°-5°.

I vissa uttöringsformer av uppfinningen minskar rodrets vridning från en främre ände intill propellem till en bakre ände som är en distal ände i förhållande till propellem, så att rodrets bakre ände sträcker sig längs en rak linje. I andra uttöringsformer är åtminstone en del av rodret kontinuerligt vriden från en fräxnre ände av rodret till en bakre ände av rodret. 10 15 20 25 30 35 Bulben delar företrädesvis rodret i en övre del och en nedre del som är vridna i motsatta riktningar i förhållande till varandra. I samtliga utföringsforrner är rodrets vridning störst i området för bulben och minskar med avståndet fiån bulben. Företrädesvis minskar vridningen linjärt med avståndet från bulben. Rodrets maximala vridning kan vara upp till l5°.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Fig. 1 visar ett arrangemang enligt föreliggande uppfmning, anordnat i ett fartygs akter.

Fig. 2 visar arrangemanget enligt Fig. l i större detalj.

Fig. 3 visar ett tvärsnitt av rodret i Fig. 2.

Fig. 4 visar ett annat tvärsnitt av rodret.

Fig. 5 visar rodret sett från ovan.

Fig. 6 visar ett tvärsnitt enligt en altemativ utföringsforrn.

Fig. 7 visar ett annat tvärsnitt av samma utiöringsform som visas i Fig. 6.

Fig. 8 visar rodret och navkapseln från ovan, då rodret är i en neutral position.

F ig. 9 visar en vy över rodret liknande den i Fig. 8, men där rodret är svängt för att bringa fartyget att ändra rörelseriktning.

Fig. 10 är en vy liknande den i Fig. 2, men visande en annan utföringsforrn av uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen kommer nu att beskrivas i större detalj med hänvisning till Fig. l och 2.

Såsom kan ses i Fig. l är det uppfmningsenliga arrangemanget l för styrning och framdrivning av ett fartyg 2 monterat i den aktre delen av ett fartyg 2. Det uppfinnings- enliga arrangemanget innefattar en roterande propeller som är monterad på en drivaxel 4. Då propellern drivs av drivaxeln 4 kommer propellem 3 att driva fartyget 2 framåt i riktning av pilen A (det skall förstås att drivningen också kan kastas om för att bringa fartyget att gå akterut). Då fartyget 2 drivs framåt av propellern 3 kommer vatten som har passerat propellern 3 att röra sig bakåt mot ett svängbart roder 6 som är beläget nedströms propellern 3, dvs. bakom propellern 3. I detta sammanhang skall termerna "nedströms" och "bakom" tolkas i förhållande till fartygets framåtgående rörelserikming (såsom indikerad av pilen A). Rodret 6 är monterat på en roderhjärtstock 7 som kan svängas för att styra rodrets 6 position.

Propellern 3 har, såsom indikeras i Fig. 2, ett nav 5 på vilket propellerbladen är monterade. I princip kan propellern 3 ha endast ett propellerblad men företrädesvis har 10 15 20 25 30 35 531 4232 den åtminstone två propellerblad. Den kan också ha mer ån två blad. Till exempel kan den ha tre eller fyra blad.

En strömlinjefonnad bulb 10 kan integreras med rodret 6. Då propellern 3 är aktiv kommer vatten från propellem att strömma över bulben 10. Då vattnet strömrnar över den strömlinj efonnade bulben 10 ökas propellems verkningsgrad. Utan att vilja binda sig till någon viss teori antas det att bulben minskar rotationsförluster och kavitation bakom skruvpropellern 3 och att detta är orsaken till den ökade verkningsgraden.

Bulben 10 är åtskiljd från propellern 3 genom en spalt e. Uppfinnarna har funnit att för en maximal verkningsgrad så bör denna spalt vara tillsluten. Av denna anledning har propellerns 3 nav 5 en navkapsel 13 som överbryggar spalten e mellan propellem 3 och bulben 10. Navkapseln 13 är integrerad med eller fast ansluten vid navet 5. Den roterar således tillsammans med navet 5. Detta ökar motståndet mellan vattnet och navkapseln.

Till följd av detta minskar verkningsgraden något, även om det är marginellt. Av denna anledning bör navkapseln 13 företrädesvis vara relativt kort. Å andra sidan skulle det inte vara önskvärt att minska längden av navkapseln 13 till noll, eftersom det skulle göra det nödvändigt att öka längden av bulben 10 för att överbrygga spalten mellan bulben 10 och propellern. Då bulben 10 är integrerad med rodret skulle detta göra det svårare att svàga på rodret 6. Navkapselns 13 längd måste därför utgöra en kompromiss mellan delvis motsatta krav.

Såsom indikeras i Fig. 2, 8 och 9 möter navkapseln 13 den uppströms eller främre änden 11 av bulben 10 i en övergång 14 där den främre änden 11 av bulben 10 sträcker sig in i en del av navkapseln 13. Bulben 10 behöver dock inte faktiskt komma i kontakt med navkapseln 13. I föredragna uttöringsfonner är det ett litet avstånd mellan navkapseln 13 och den fi-ärnre änden ll av bulben 10. Såsom bäst ses i Fig. 8 och 9, kan rodret 6 svångas. Då rodret 6 svånges svångs det nödvändigtvis i förhållande till navkapseln 13.

För att undvika kontakt mellan navkapseln 13 och bulben 10 är navkapseln och den främre änden av bulben 10 utformade att upprätthålla ett konstant avstånd mellan bulben 10 och kapseln, då rodret 6 svänges. För att åstadkomma denna effekt kan bulbens 10 främre änden ll vara krökt och ha en krökning som motsvarar avståndet från roderhj årtstocken 7 till bulbens 10 främre ände 11.

Navkapseln 13 bör företrädesvis möta bulben 10 i ett läge 14 mellan propellern 3 och den del av bulben 10 där bulben 10 når sin maximala diameter. Det skulle vara mindre föredraget att bringa övergången att sammanfalla med bulbens 10 maximala diameter.

Anledningen är att bulbens maximala diameter sammanfaller med det lägsta 10 15 20 25 30 35 53? 432 vattentrycket. Om övergången 14 sammaniöll med bulbens maximala diameter skulle detta således kunna skapa ett underlryck mellan navkapseln 13 och bulben 10.

I fördelaktiga utiöringsforrner av uppfinningen är bulbens 10 maximala diameter 1-40 % större än propellernavets 5 diameter. Experiment utförda av uppfmnarna indikerar att då bulbens maximala diameter är 20 % större än propellemavets 5 diameter så åstadkoms den största :förbättringen av verkningsgraden.

Rodrets utformning kommer nu att förklaras med hänvisning till F ig. 3-7. Enligt uppfinningen är rodret 6 vridet så att det har en lrrökt yta. Rodrets vridning kan uttryckas som den vinkel ß med vilken en del av rodret 6 avviker från ett vertikalt plan P då rodret år i en neutral position, varvid det vertikala planet P är det plan som definieras av roderhjärtstockens 7 axel och drivaxelris 4 axel. Rodrets 6 krökníng eller vridning motsvarar rotationsriktningen för det vatten som drivs bakåt av propellem 3 då propellem driver fartyget framåt. Rodret är vridet på så sätt att det möter det virvlande vatten som strömmar mot rodret 6. Rodrets maximala vridning finns i området runt bulben 10. Bulben 10 är belägen huvudsakligen koaxiellt i förhållande till propeller- axeln 4 eller drivaxeln 4 (för enkelhets skull används samma hänvisningsbeteckning 4 för att beteckna både drivaxeln och propelleraxeln, eftersom propelleraxeln samman- faller med drívaxeln 4). Av denna anledning kommer vattnets rotationsrörelse att ha olika riktningar över och under bulben. Därför är omrâdet omedelbart ovanför bulben 10 vridet/krökt i en riktning medan området omedelbart under bulben 10 är vridet/krökt i motsatt riktning. Rodrets 6 vridning ger den effekt att en del av energin i rotationsvattnet återvinns. Detta ökar verkningsgraden.

Enligt en uttöringsform som visas i Fig. 3-5 minskar rodrets 6 vridning från en främre ände 8 intill propellem 3 till en bakre ände 9 som är en distal ände i förhållande till propellem 3, så att rodrets 6 bakre ände 9 sträcker sig längs en rak linje. l utförings- formen enligt Fig. 3-5 är det också så att rodrets 6 vridning är störst i området för bulben 10 och minskar linjärt med avståndet från bulben 10. Fig. 5 är en vy från ovan över rodret 6, där både den övre och den nedre delen av det vridna rodret 6 kan ses. Här kan det ses hur rodrets 'frärnre ände 8 är vriden i en riktning ovanför bulben 10 och i motsatt riktning under bulben 10. För enkelhets skull visas inte bulben 10 iFig. 5.

Såsom kan ses i Fig. 5 är rodrets 6 bakre ände 9 inte vriden och den bakre änden 9 sträcker sig i en rak linje. Fig. 3 visar ett tvärsnitt av rodret motsvarande en övre ände 17 hos rodret 6. Såsom kan ses i Fig. 3 är den övre änden 17 av rodret 6 inte vriden. I Fig. 4 visas ett tvärsnitt som motsvarar en nedre ände 18 av rodret 6. Här finns det 10 15 20 25 30 35 EíÉHl iii-BE fortfarande en viss återstående vridning men vridningen, som representeras av vinkeln ß, är här mycket mindre än vridningen nära bulben 10. Anledningen till att vridningen minskar med avståndet från bulben är att vattnets rotation varierar med avståndet från propelleraxeln 4. Rodrets 6 maximala vridning ovanför eller under bulben 10 kan vara upp till l5°.

I det följ ande kommer en annan utiöringsform av rodret 6 att beskrivas med hänvisning till Fig. 6 och 7. I uttöringsforrnen enligt Fig. 6 och 7 är åtminstone en del av rodret 6 kontinuerligt vriden från en fräirire ände 8 av rodret 6 till en bakre ände 9 av rodret. Även då rodret 6 befmner sig i en neutral position kommer således den bakre änden 9 av rodret 6 att definiera en vinkel Q mot ett plan P som sammanfaller med propelleraxeln 4 (det skall förstås att emedan symbolen Q har använts för den bakre delen av rodret så indikerar denna symbol vridningsvinkeln, precis som symbolen ß gör). Det skall förstås att Fig. 6 representerar ett tvärsnitt av rodret 6 omedelbart under bulben 10, medan Fig. 7 representerar ett tvärsnitt av rodret omedelbart ovanför bulben 10. Det kontinuerligt krökta rodret ger effekten att en ärmu större del av den kinetiska energin i vattnet kan utvinnas. Detta resulterar i förbättrad efiekt.

Med hänvisning till Fig. 3-7 skall det också tydliggöras att vridníngsvinkeln ß inte behöver vara lika stor ovanför och under bulben. Med andra ord är vridningen inte nödvändigtvis symmetrisk runt bulben. I fördragna uttöringsformer av uppfinningen är vridningsvinkeln ß under bulben 10 och på ett visst avstånd från bulben, faktiskt mindre än vridningsvinkeln ß på samma avstånd ovanför bulben 10. Anledningen är som följer.

Rodrets 6 vridning bör motsvara vattnets rotationsrörelse. Vattnets rörelse har en axiell komponent och en tangentiell komponent. Ovanför propelleraxeln är vattnet närmre fartygets 2 skrov. Detta tenderar att minska vattnets axiella hastighet. Till följ d av detta kommer den tangentiella komponenten av vattnets rörelse nedströms propellem 3 att vara relativt sett större jämfört med den axiella komponenten. Under propelleraxeln kan den tangentiella komponenten vara lika stor i absoluta termen, men den axiella komponenten är också större. Därför möter vattnet rodret 6 med en arman vinkel.

En annan utföringsfonn avseende bulben kommer nu att förklaras med hänvisning till Fig. 10. I utföringsforrnen som visas i Fig. l och 2 sträcker sig bulben 10 längs en axel 15 som är parallell med eller koaxiell med propellerns 3 rotationsaxel. Det skall förstås att bulben 10 lämpligen är en rotationssymmetrisk kropp (dvs. att bulben 10 är symmetrisk runt en rotationsaxel). Axeln 15 längs vilken bulben 10 sträcker sig bör då förstås som axeln 15 för rotationssymmetri. Uppfinnarna har dock befunnit att ännu 10 15 20 25 30 35 E31 432 bättre resultat i många fall kan uppnås om bulben 10 sträcker sig längs en axel 15 (speciellt en axel 15 för rotationssyrnrnetri) som definierar en spetsig vinkel mot propellerns 3 rotationsaxel. Anledningen är att vattenflödet från propellem ofta kommer att röra sig något uppåt från propellem istället för att gå rakt bakåt. För att bringa vattnet att strömma symmetrisk runt bulben 10 bör bulben 10 således luta på liknande sätt. Om bulben 15 inte är symmetrisk runt en rotationsaxel, bör bulbens 15 axel beaktas som en rak linje från bulbens 10 fi-ämre punkt till dess bakre punkt.

Den bakre änden 16 av bulben 10 ligger på en nivå ovanför den främre änden av bulben 10 och ett realistiskt mått på vinkeln mellan bulben 10 och propelleraxeln kan vara 1- l4°, varvid ett lärnpligt värde för många tillämpningar kan vara 3-5°.

Uppfinnarna har befimnit att den uppfinningsenliga kombinationen av det vridna rodret, bulben och propellem med navkapseln resulterar i förbättrad verkningsgrad. Testresultat har visat att verkningsgraden kan öka med upp till 5 % vid användning av det upp- finningsenliga konceptet. Detta motsvarar direkt en liknande minskning av bränsle- förbrukningen. Beroende på de precisa omständigheterna för varje individuell tillämpning kan det vara möjligt att öka verkningsgraden med mer än 5 %. Det har också befunnits av uppfmnarna att fartygets manövrerbarhet förbättras.

För den del av rodret och bulben som är belägen uppströms roderhj ärtstocken 7 (dvs. närmre propellem), bör den projicerade sidoarean företrädesvis vara 25-30 % av den totala roderarean (inkluderande den proj icerade arean för bulben 10). Uppfinnarna har befimnit att om arean av rodret och bulben uppströms roderhjärtstocken representerar mer än 30 % av den totala roderarean, så kommer detta att resultera i ett negativt vridmoment på rodret. Rodret kommer då att tendera att svänga bort från den neutrala positionen och ett vridmoment måste läggas på för att förhindra rodret 6 från att svänga bort från den neutrala positionen. Om å andra sidan arean uppströms roderhj ärtstocken 7 är mindre än 25 % av den totala roderarean, kommer rodret att få en mycket stark tendens att antaga en neutral position. Det kommer då att krävas ett onödigt högt vridmoment för att svänga på rodret 6.

I en realistisk uttöringsform av uppfinningen kommer propellem vanligen att ha en diameter i intervallet l,5-6 m. Propellernavet kommer typiskt att ha en diameter som är 25-30 % av propellerdiametem. För en propeller med en diameter av 6 m kan navet då ha en diameter i intervallet 1,5-l ,8 m. Rodret kommer vanligen att ha en höjd som är jämförbar med propeller-ns diameter. 537 48E Emedan uppfinningen ovan har beskrivits i termer av ett arrangemang för styrning och framdrivning av ett fartyg skall det ñrstås att uppfinningen också kan förklaras i termer av ett fartyg som är försett med det uppfinningsenliga arrangemanget. Uppfinningen kan också beskrivas i termer av en metod för ombyggnad av ett fartyg, varvid metoden innefattar de steg som vore nödvändiga för att förse fartyget med det uppfinningsenliga arrangemang som beskrivs ovan.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 531 4Eš2 PATENTKRAV

1. )

2. )

3. )

4. )

5. )

6. )

7. ) Arrangemang för fiamdirivning och styrning av ett fartyg (2), vilket arrangemang innefattar: a) en roterande propeller (3) med ett nav (5) och minst två propellerblad, b) ett svängbart roder (6) anordnat nedströms propellern (3), c) på rodret (6), en strörnlinjeforrnad bulb (10) som är integrerad med rodret (6), vilken bulb är åtskiljd fiån propellern (3) genom en spalt (e), och d) en kapsel (13) på propellernavet (5), vilken navkapsel (13) överbryggar spalten (e) mellan propellern (3) och bulben (10), k änn e t e c kn at av att rodret är vridet och att rodrets vridning är störst i området för bulben (10) och minskar linjärt med avståndet från bulben (10), och att vridningsvinkeln (ß) på ett visst avstånd fi-ån bulben är mindre under bulben än ovanför bulben. Arrangemang enligt krav 1, k änn etecknat av att bulbens (10) maximala diameter är 1-40 % större än propellernavets (5) diameter och företrädesvis 20 % större än propellernavets: (5) diameter. Arrangemang enligt krav 1, k änn et e cknat av att bulben (10) sträcker sig längs en axel (15) som är parallell med eller koaxiell med propellerns (3) rotationsaxel. Arrangemang enligt krav 1, k änn et ec kn at av att bulben (10) sträcker sig längs en axel (15) som definierar en spetsig vinkel mot propellerns (3) rotatíonsaxel. Arrangemang enligt krav 4, k ä n n e t e c k n at a v att bulbens (10) bakre ände (16) ligger på en nivå ovanför bulbens (10) främre ände och att vinkeln mellan bulben (10) och propelleraxeln 1-l4°. Arrangemang enligt krav 1, k än n e t e c k n a t a v att navkapseln (13) möter bulben ( 10) i ett läge mellan pro-pellern (3) och den del av bulben (10) där bulben (10) når sin maximala diameter. Arrangemang enligt krav 1, k ä n n e te c k n at av att rodrets (6) vridning minskar från en fiämre ände (8) intill propellern (3) till en bakre ände (9) som är en distal ände i förhållande till propellern (3), så att rodrets (6) bakre ände (9) sträcker sig längs en rak linje. 10 15 20 53 *i 482 10

8. ) Arrangemang enligt krav 1, kännetecknar av att åtminstone en del av rodret (6) är kontinuerligt vriden från en ñämre ände (8) av rodret (6) till en bakre ände (9) av rodret.

9. ) Arrangemang enligt krav 1, känneteeknat av att navkapseln (13) och den frärnre änden av bulben (10) är utformade att upprätthålla ett konstant avstånd mellan bulben (10) och navet (13), då rodret (6) svängs.

10. ) Arrangemang enligt krav 1 eller 8, kännete ckn at av att rodrets (6) maximala vridning är 15°.

11. ll)Arrangemang enligt krav l, kännetecknat av att rodret (6) är vridet i olika riktning ovanför respektive under bulben (10).

12. ) Arrangemang enligt krav l, kännetecknar av att den del av rodret (6) och bulben (10) som är belägen uppströms roderhjärtstocken (7) har en projicerad sidoarea som är 25-30 % av den totala projicerade sidoarean av rodret (6) och bulben (10).

13. ) Fartyg försett med ett arrangemang enligt något av kraven 1-12.