专利名称：用于船用螺旋桨的防空泡管筒的制作方法
技术领域：
本发明涉及船用螺旋桨，尤其是可提高船用螺旋桨的效率的防空泡装置。
在授予Kort的美国专利2030375中公开了一种位于船舶螺旋桨周围的喷嘴。这种装置及类似装置已被广泛地被认为是Kort喷嘴，其适用于螺杆传动的船舶并可提高螺旋桨的推进效率。然而这种喷嘴主要用于低转速的螺旋桨，尤其是用于大型船只。已经证明，这种喷嘴特别适用于可提供很大的系船柱拉力并在低速下具有较大推力的拖船。当用于小型的快速移动的船只尤其是那些舷外推进的船只时，Kort喷嘴在船舶滑行或接近最大速度时可能会形成阻碍。
在授予Hooper的美国专利5906522中公开了一种用于船用螺旋桨的推力增强器。这种装置包括周边环，其带有由一系列支杆同心地支撑于周边环内的排气环。支杆还可支撑各个叶片。这种装置的目的是将船用螺旋桨的推力更普遍地引导到单一的向后方向上。它是一种相对复杂的装置。
在授予Schultz的美国专利4637801中公开了一种更加复杂的装置，其可用于水运工具的一种增强推力的螺旋桨管道组件。此管道具有两个相互间交错排列的同轴外罩。它们也被喷嘴化以产生文丘里效应。这项发明特别是针对提高船舶在低速尤其是高速滑行时期例如起航时的拖曳效率。
其它现有技术的装置公开于专利(a)JP 58-126288A(MITSUIZOSEN KK)；(b)DE 4223570C1(SCHINEEKLUTH)；和(c)JP58-16981A(NIPPON KOKUM KK)中。JP 58-126288A(MITSUI)提供了一种围绕螺旋桨设置的带有向叶片倾斜的顶端的(在翼形剖面上)收敛的环。DE 4223570C1(SCHNEEKLUTH)提供了一种环“扩散器”(4)，其围绕装置轴设置在螺旋桨(1)的前方并具有比螺旋桨更小的直径。JP 58-126288A(NIPPON)提供了一种围绕螺旋桨(1)设置的收敛形状的环(2)，该环(2)具有翼形剖面，各个翼形剖面(21，22)被槽隔开。
总地说来，上述装置均针对于提高低速和船舶起航时的效率。
提供一种在低、高螺旋桨转速下都有效的增强推力的防空泡管筒是有利的。如果这种装置的制造和安装都相对简单，那么这也是很有利的。
如果这种装置能够保护螺旋桨免受损坏，例如因与海底/河床、岩石、暗礁等碰撞而受到损坏；和/或能够保护海洋生物免受螺旋桨的撞击，那么这也是有利的。这种保护性装置的示例公开于专利(a)EPO 433510A1(TABRAT)；(b)US 5176550(HOOPER)；(c)US 2983246(MANLEY)；和(d)WO 93/17907(TAYLOR)中。
发明目的本发明的目的是克服或至少改进现有技术中的一个或多个上述所公开的缺陷。
从下面的介绍中可清楚其它主要目的。
具有前缘或后缘的外罩；其中，外罩的前缘和后缘之间的最大距离小于螺旋桨叶片的最大深度。
在另一种形式中，本发明为一种可与水运工具的螺旋桨一起使用的防空泡管筒，所述防空泡管筒包括具有前缘或后缘的外罩；和用于将外罩相对于螺旋桨固定在操作位置上的连接装置；其中，外罩的前缘和后缘之间的最大距离小于螺旋桨叶片的最大深度。
外罩最好沿其长度是非收敛的，并具有简单(即非翼形)的剖面。
后缘可以是平面的，或者具有至少一个向后的突出部分。
后缘最好可具有一系列连续弯曲的向后的突出部分。该突出部分最好为在直径上相对的对。后缘可具有连续的正弦或波浪形式。
连接装置最好包括至少一个可与舷外发动机相接合的托架。合适的操作位置应使外罩的前缘位于包括螺旋桨前表面在内的平面的附近。连接装置可以是整体模制的形式。连接装置可以是塑性焊接的。
前缘最好基本上位于包括螺旋桨前表面在内的平面上或其后方。
外罩的前缘和后缘之间的最大距离应在螺旋桨的叶片深度的1/2到3/4的范围内。前缘和后缘之间的最大距离最好为螺旋桨的叶片深度的2/3。
外罩的下部最好围绕着螺旋桨长度的约1/2到3/4，而外罩的上部基本上围绕着螺旋桨的整个顶部，并逐渐向下变小而围绕螺旋桨的约1/2到3/4。
防空泡管筒还可包括位于外罩的上部区域中的鳍板。
防空泡管筒还可包括后缘和上托架之间的过渡区域。
在另一方面，本发明为一种可提高水运工具的螺旋桨效率的方法，所述方法包括步骤将根据上述任一实施例的防空泡管筒相对于螺旋桨安装到操作位置中。
该方法还包括安装防空泡管筒以使管筒的前缘基本上与螺旋桨的前表面处于同一平面上的步骤。
在另一方面，本发明为一种可提高水运工具的螺旋桨效率的方法，所述方法包括步骤将防空泡管筒定位成使其可遮盖螺旋桨的前部并暴露出螺旋桨的后部。
在沿螺旋桨的深度进行计算时，被遮盖的前部最好等于或大于暴露出的后部。
在沿螺旋桨叶片的深度进行计算时，前部最好是暴露出的后部的两倍大。
图11和12分别是与舷外发动机相连的图10所示防空泡管筒的侧视图和顶视图；图13是可调节鳍板的后视图，其可与图1到12所示的防空泡管筒一起使用；图14和15分别是与舷外发动机相连的图13所示的可调节鳍板的侧视图和顶视图。
附图的详细介绍参考图1，图中显示了防空泡管筒11的第一实施例，其包括带有前缘13和后缘14的基本上为圆形的外罩12。外罩12沿其长度是非收敛的，并具有简单(即非翼形)的剖面。外罩12具有上连接托架15以及下连接托架16。防空泡管筒11还包括鳍板17，它正好位于外罩12的上部区域中的上连接托架15的后部。
参考图2，图中显示了固定在舷外发动机18上的防空泡管筒11，而发动机18又连接在船只20的船尾19上。
防空泡管筒11通过螺栓21来连接，该螺栓穿过下连接托架16的开口并穿过导流尾鳍22。防空泡管筒11还通过螺栓24连接在舷外发动机18的空泡板23上，该螺栓穿过空泡板23上的钻出开口并进入到上连接托架15中。从图中可看出，对本发明来说重要的是，外罩12并没有在前后方向上完全地覆盖住螺旋桨25。前缘13位于与包括螺旋桨前缘或前表面26在内的平面对齐或其周围的位置处。然而，后缘14则位于螺旋桨叶片28的最后点27的前方。
连接装置可以是本领域的技术人员已知的任何合适的装置。例如，外罩12可以与舷外翼侧的外壳一起整体地模制。或者，可采用塑性焊接来连接外罩。可采用框架来将外罩12相对于螺旋桨25固定位。外罩可与任何适当的周边结构如带有固定螺旋桨的船只外壳形成一体。
螺旋桨的叶片28由中心毂29支撑，该中心毂又与驱动轴(未示出)相接合。
外罩前缘13和外罩后缘14之间的最大距离为距离“a”。螺旋桨叶片28的最大深度为“b”，它是螺旋桨叶片的纵长测量值。本发明人的重要发现是，为了使防空泡管筒能有效地起作用，距离“a”必须小于距离“b”。优选“a”在“b”的1/2到3/4的范围内。“a”最好在“b”的1/2到2/3的范围内。
一般来说，外罩12和螺旋桨25的叶片28之间的径向间隙(对于10-140马力范围内的舷外发动机)在10-30毫米的范围内。
所示的扇形后缘14为围绕边缘的规则正弦曲线。后缘14实际上可只具有一个单一向后的突出部分，而不是所示的多个突出部分。然而，最好至少有两个向后的突出部分来形成曲形的后缘，而且这些突出部分理想上应定位成可使外罩的作用达到平衡。如图所示，可以使用多个突出部分，其中这些突出部分设置为在直径上相对的对，从而使防空泡管筒11的功能产生了平衡性。虽然所示的是规则曲线，但是本领域的技术人员可以清楚，其它的几何形状也适于防空泡管筒的功能，可以采用包括棱角形状在内的任何结构。本领域的技术人员可以清楚，实际上后缘14可以是基本上平行于前缘13的均匀边缘，能为外罩12带来环形效应。
此视图还显示出外罩12的上部弧形30与上连接托架15相接，从而形成了外罩12和托架15之间的过渡区域。此特征提供了额外的优点，即它在水流流经防空泡管筒11时产生了升力，这提高了舷外发动机18的推力传送效率，导致船只20更快和更有效地在水面上航行。这种作用因鳍板17的存在而得以增强，它伸入到流经外罩12的水流中，并进一步提高了发动机18的升力供给和船只20的滑行效率。
参考图3，图中显示了位于舷外发动机上的本发明的防空泡管筒11的透视图。外罩12通过螺栓21和上螺栓24分别与导流尾鳍22和空泡板23相连。螺旋桨的叶片28与中心毂29相连，中心毂又通过固定螺母31与驱动轴(未示出)相连。前缘13具有入口32，在使用时水通过此入口而流入。
参考图4，图中显示了从侧面看去时流经防空泡管筒11的水流的示意性矢量图。当船只、发动机和防空泡管筒11在水流中经过时，水沿着进入箭头33的方向流动。鳍板17周围的水流由箭头34显示，其带给防空泡管筒11和舷外发动机一个合成升力。圆形的成角度的侧向推进力由来自箭头35方向上的水流提供，而向外的朝后较低的推进力由来自箭头36方向上的水流提供。
在图5中显示了另一水流的示意性顶视图。同样，标号33为进入箭头。圆形的成角度的侧向推进力见35处。向外的较低朝后推进力见36处。改善的向外的较高朝后推进力见37处，其由圆形的成角度的侧向推进力和向外的朝后较低的推进力而组合形成。本发明可利用侧向作用力来增强向前运动的效率。通过使侧向作用力最大来提高效率，防空泡管筒可以引导侧向推力朝向螺旋桨的后部。这就将侧向作用力集中到螺旋桨的后部，但还需要螺旋桨保持部分暴露的平衡比率，因为这样可获得更有效的侧向推进的水流。
通过外罩12的后缘14的波浪效果或扇形来产生脉动作用。可以认为，这采用了最大的侧向作用力来产生可提高侧向推进力并有助于提高性能的脉动效果。然而如上所述，也可生产出在后缘上没有波浪效果的外罩。最好，螺旋桨的暴露比率较小，而其前部被外罩包围的比率较大。
现参考图6和7，同样为非收敛的、简单剖面(即非翼形)的防空泡管筒111具有前缘113，它以相对于垂直面(此为与螺旋桨125的旋转轴线正交的平面)成5°到15°的范围内的任一角度倾斜；而后缘114是基本上垂直的，但位于螺旋桨125的叶片的最后点127的前方且间隔开。外罩112与空泡板125相连。外罩112通过四个紧固件(未示出)连接在导流尾鳍122的空泡板123上，并通过下导流尾鳍托架150而连接在导流尾鳍122的下端上。
由于倾斜角因船只在水中的自然倾斜位置而允许水流有效地经管筒111而流入，因此倾斜的前缘113提供了改善的加速度特性。该角度和倾斜位置一起降低了阻碍或阻力。
后缘114最好位于螺旋桨125的最后点之前并与之隔开一定的距离C，其中C最好为b的1/4到1/2，即螺旋桨125的下部的约1/4到1/2暴露出来。如图7所示，外罩112设置成可覆盖螺旋桨125的整个顶部，然后向下减小到覆盖螺旋桨125上半部分的1/2到3/4(即螺旋桨125的1/4到1/2是暴露的)。
实验发现，上述(如图7所示)的两个阶梯式表面区域可使内力最大。这两个特定区域的使用已经表明，两个分开的表面区域的增压可大比率地减小空泡。
由于螺旋桨部分地暴露，以及由于存在阶梯式表面区域，因此最高速度很少或不会发生损耗。在外罩112的顶部使用较大的阶梯式表面区域可产生不均匀分布的方向性水流，还会产生使船只浮于水面的有效和即时的升力。
对于用于推进较重工作负载的较大船只(如工作艇)来说，图8和9中的防空泡管筒211的外罩212只延伸过螺旋桨225的上部，而其下部则被(不锈钢)连杆212a所环绕，连杆212a通过下导流尾鳍托架250而连接到导流尾鳍上。
连杆212a可保护螺旋桨225免受猛烈的撞击。
外罩212及其阶梯式表面区域提供了与未装有管筒211的螺旋桨相比有所提高的性能，包括改善的调速能力。
图10到12显示了防空泡管筒311的第四实施例，它受到箱体370的保护，箱体370可完全地保护管筒311(和螺旋桨325)，但不会削弱管筒311所提供的性能优势。
装有上述任一防空泡管筒的船只的性能可通过安装可调节鳍板480而得到进一步的改善，该鳍板以铰链形式安装在导流尾鳍422上的空泡板423的后部，并可手动地(通过螺旋扣)或机械地(通过气动或液压缸481)进行调节。该鳍板480可与管筒共同操作以提高螺旋桨所产生的升力。
防空泡管筒可用任何适当的材料来制造，包括不锈钢、铝或高密度塑料。
发明人发现，防空泡管筒提高了水运工具的性能，包括提高了驱动系统的推进力和燃油效率，并减小了螺旋桨周围的空泡(例如，使得70马力发动机提供了与未装有管筒的标准的90马力发动机相同的推进力)。本发明也提高了行驶时的稳定性，并且由于对水进行了引导，因此减小了舷外发动机的排放音量。
当将此装置与舷外发动机一起使用时，可以增大船只的最高速度，而且船只具有更好的转弯性能。
测试中未发现换向性能降低。
虽然本发明主要对舷外发动机进行了介绍，但是对于本领域的技术人员很清楚，此装置可以应用到其它形式的螺旋桨驱动系统中，例如带有与外部螺旋桨相连的驱动轴的舷内发动机。
可在本发明的与发动机相连的连接装置中采用橡胶垫圈，以防止水泄漏到螺栓孔中，同时可减小振动的影响。
在另一实施例中，防空泡管筒的外罩可以由带有与其纵向轴线正交的前缘和与该轴线成某一角度的后缘的截顶圆柱体形成，此圆柱体在外罩底部具有外罩的最宽部分。
在整个说明书中，其目的是介绍本发明的最佳实施例，而不是将本发明限制在任一实施例或具体的特征上。
权利要求
1.一种用于水运工具的螺旋桨的防空泡管筒，所述防空泡管筒包括具有前缘和后缘的外罩，其中，所述外罩的所述前缘和所述后缘之间的最大距离小于所述螺旋桨叶片的最大深度。
2.一种与水运工具的螺旋桨一起使用的防空泡管筒，所述防空泡管筒包括具有前缘和后缘的外罩；和用于将所述外罩相对于所述螺旋桨固定在操作位置上的连接装置；其中，所述外罩的所述前缘和所述后缘之间的最大距离小于所述螺旋桨叶片的最大深度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的管筒，其特征在于所述外罩沿其长度是非收敛的，并具有简单(即非翼形)的剖面。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的管筒，其特征在于所述后缘是平面的，或具有至少一个向后的突出部分。
5.根据权利要求4所述的管筒，其特征在于所述后缘具有一系列连续弯曲的向后的突出部分，所述突出部分设为在直径上相对的对。
6.根据权利要求2所述的管筒，其特征在于所述连接装置包括至少一个可与舷外发动机相接合的托架。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的管筒，其特征在于所述外罩的前缘基本上位于包括所述螺旋桨的前表面在内的平面上或其后方。
8.根据权利要求7所述的管筒，其特征在于所述外罩的所述前缘和所述后缘之间的最大距离在所述螺旋桨的叶片深度的1/2到3/4的范围内。
9.根据权利要求8所述的管筒，其特征在于所述前缘和所述后缘之间的最大距离为所述螺旋桨的叶片深度的2/3。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的管筒，其特征在于所述外罩的下部围绕着所述螺旋桨长度的约1/2到3/4，而所述外罩的上部基本上围绕着所述螺旋桨的整个顶部，并向下逐渐变小而围绕着所述螺旋桨的约1/2到3/4。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的管筒，其特征在于所述管筒还包括位于所述外罩的上部区域中的鳍板。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的管筒，其特征在于所述管筒还包括位于所述后缘和上托架之间的过渡区域。
13.一种提高水运工具的螺旋桨的效率的方法，所述方法包括步骤将根据权利要求1到12中任一项所述的防空泡管筒相对于所述螺旋桨安装到操作位置上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述方法还包括安装所述防空泡管筒以使所述管筒的前缘基本上和所述螺旋桨的前表面处于同一表面或其后方的步骤。
15.一种提高水运工具的螺旋桨的效率的方法，所述方法包括步骤将根据权利要求1到12中任一项所述的防空泡管筒设置成使其可遮盖所述螺旋桨的前部并暴露出所述螺旋桨的后部。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于在沿所述螺旋桨的深度进行计算时，所述被遮盖的前部等于或大于所述暴露出的后部。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于在沿所述螺旋桨的叶片深度进行计算时，所述前部是所述暴露出的后部的两倍大。
全文摘要
一种用于水运工具(20)的去空泡管筒(11)，其具有非收敛的简单(即非翼形)剖面的外罩(12)，外罩的前缘(13)位于包括螺旋桨(25)的叶片(28)的前缘在内的平面上或其前方，而外罩的后缘(14)位于螺旋桨(25)的叶片(28)的最后点(27)之前。
文档编号B63H5/14GK1440346SQ01812235
公开日2003年9月3日 申请日期2001年5月4日 优先权日2000年5月5日
发明者杰弗里·唐纳德·桑德斯 申请人:阿曼达·玛丽亚·桑德斯, 杰弗里·唐纳德·桑德斯