专利名称：船的推进和操纵装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及船的搡纵和推进装置。该装置为包括螺旋桨、舵和位于该
螺旋桨后面的球管(bulb)的形式。本发明还涉及带有这种装置的船。
背景技术：
用于推进船的最普通装置为螺旋桨，其中叶片的旋转轴线沿着船的运 动方向配置。为了减少燃料消耗，螺旋桨的效率应尽可能的高。在这方面， 安装在船上的螺旋桨的效率定义为推动船向前所需的动力与简单地拖动船 向前所需的动力的比。 一般，螺旋桨的效率为60-70%。由于燃料消耗直接 取决于螺旋桨的效率，因此效率的任何提高都可使燃料消耗相应地降低。
为了提高螺旋桨的效率，已经建议使螺旋桨与配置在该螺旋桨后面并 与该螺旋桨同轴的流线型体组合。有时将这种流线型体称为Costa-球管、推 进球管或简称为球管。这种推进球管例如在英国专利说明书GB 762,445中 公开。该文献公开了螺旋桨安装在船上、位于具有舵柱的舵前面的配置。 球管放置在螺旋桨后面，并且该球管的支承件由该舵柱形成。在WO 97/11878中还提出了可将鱼雷形物体放置在螺旋桨后面。该鱼雷形物体被 描述为悬挂在吊舵支架上，并且不能相对于船摆动。
对于船，也希望机动性尽可能好。关于这点，将机动性定义为可利用 舵的一定的角位移实现的侧力。
本发明的一个目的是提供一种使效率提高的船的操纵和推进装置。本 发明的另 一 个目的是提供一种在不增加操舵装置扭矩的情况下使机动性改 善的操纵和推进装置。
发明内容
根据本发明，船的推进和操纵装置包括带有轮毂和一个或几个螺旋桨 叶片的旋转的螺旋桨。优选的是，螺旋桨具有至少两个螺旋桨叶片。可转 动的舵在船的运动方向配置在螺旋桨的后面。舵是扭转的，即弯曲的而不
是平面形的。流线型的推进球管与舵为一整体并放置在螺旋桨的后面，使 得由螺旋桨向后压的海水在该球管的周围流动。该球管的前端与螺旋桨及 其轮穀隔开一间隙。该球管和螺旋桨之间的间隙由毂盖跨接。在本发明的 优选实施例中，在螺旋桨和球管达到其最大直径的球管部分之间的位置， 该毂盖与该球管接触。设计该球管的前端和毂盖，使得当转动舵时保持该 球管和盖之间的距离固定不变。
该球管的最大直径可以与螺旋桨毂的直径相等。然而，在本发明的有 利的实施例中，该球管的最大直径比螺旋桨毂的直径大。该球管的最大直
径可以比螺旋桨毂的直径大1%-40%,优选大20%。
该球管可以沿着与螺旋桨的旋转轴线平行或共轴的轴线延伸，但在另 一个实施例中，它还可以沿着与螺旋桨的旋转轴线成一锐角的轴线延伸。 在另一个实施例中，该球管的后端可以在该球管的前端上方的高度上，使 得该球管和螺旋桨轴线之间的角度为1°-14°。优选的是，该球管和螺旋桨 轴线之间的角度为3。-5°。
在本发明的一些实施例中，舵的扭转从邻近螺旋桨的前端至相对于螺 旋桨作为远端的后端减小，使得舵的后端沿着直线延伸。在其它实施例中， 至少舵的一部分从航的前端至舵的后端连续地扭转。
优选的是，该球管将舵分成彼此在相反方向扭转的上部和下部。在所 有实施例中，舵的扭转在球管的区域是最大的，并随着离该球管的距离而 减小。优选的是，扭转随着与该球管的距离线性地减小。舵的最大扭转可 以达到15°。
图l表示配置在船尾的根据本发明的装置。
图2更详细地表示图1的装置。
图3表示图2的舵的横截面。
图4表示舵的不同的横截面。
图5表示从上面看的舵。
图6表示根据另一个实施例的横截面。
图7为图6所示的相同实施例的另一个横截面。
图8表示当舵在中间位置时从上面看的舵和毂盖。
图9表示与图8相似的舵的图，但为了使船改变其运动方向而使舵转动。
图10为与图2相似的图，但表示本发明的另一实施例。 图11表示根据一个实施例的球管和穀盖的横截面图。 图12a表示图11所示的实施例的球管。
图12b为图12a所示的即当从图12a的右边看的球管的正视图。
具体实施例方式
现参照图1和图2更详细地说明本发明。在图1中可看出，本发明的 船2的操纵和推进装置1安装在船2的尾部。本发明的装置包括安装在驱 动轴4上的旋转的螺旋桨3。当驱动轴4驱动螺旋桨时，螺旋桨3在箭头A 方向推动船2向前(应当理解，驱动也可以反转以使船向后走)。当船2被螺 旋桨3推进向前时，已经通过螺旋桨3的水向后作用在位于螺旋桨3下游(即 螺旋桨3后面)的可转动的舵6上。在本文中，术语"下游"和"后面"应 参照船的向前运动方向(如箭头A所示)理解。舵6安装在舵杆7上，该舵杆 可转动以控制舵6的位置。
如图2所示，螺旋桨3具有上面安装螺旋桨叶片的轮毂5。原则上，螺 旋桨3可以只有一个螺旋桨叶片，但优选它有至少两个螺旋桨叶片。还可 以具有多于两个叶片。例如，可以具有三个叶片或四个叶片。
流线型球管10与舵6成一整体。当螺旋桨3起动时，水从螺旋桨流过 该球管10。当水在流线型球管IO上流动时，螺旋桨的效率提高。不希望受 理论约束，相信该球管减少了旋转损耗和螺旋桨3后面的气穴现象，这就 是效率提高的原因。该球管10与螺旋桨3隔开一间隙e。发明者发现，为 了使效率最大，应封闭这个间隙。为此，螺旋桨3的轮毂5具有跨接螺旋 桨3和球管10之间的间隙e的毂盖13。毂盖13与轮毂5成一整体或者与 轮毂5固定连接。因此，该盖与轮毂5—起旋转。这增加了水和毂盖之间 的阻力。结果虽然有限，但效率降低一些。由于这个原因，优选该毂盖13 较短。另一方面，不希望将毂盖13的长度减小至零，因为为了跨接该球管 IO和螺旋桨之间的间隙，这必需增加球管10的长度。由于球管10与舵成 一整体，使得较难转动舵6。因此，毂盖13的长度必须在部分相反的要求 之间作出折衷。如图2、 8和9所示，在球管10的前端11突进毂盖13 —部分中的过 渡部分14上，毂盖13与球管10的上游或前端11接触。然而，实际上球管 IO不需要与毂盖13接触。在优选实施例中，在毂盖13和球管IO的前端11 之间有一小距离。如图8和图9可清楚地看出那样，舵6可以转动。当舵6 转动时，它必需相对于毂盖13转动。为了避免毂盖13和球管IO之间接触， 毂盖和球管10前端的设计要使得当转动舵6时，保持球管10和该盖之间 的距离固定不变。为了达到这个效果，球管10的前端11可以形成弯曲状 的，并具有与从舵杆7至球管10的前端11的距离相应的曲率。虽然从以 上可以清楚优选球管10不与毂盖13接触，但毂盖13仍可以跨接间隙e, 因为球管10突进毂盖的一部分中。在本发明的许多现实的实施例中，间隙 c可以为螺旋桨直径(一般螺旋桨直径可以为2-6m)的约15-25%。
在螺旋桨3和球管IO达到其最大直径的球管IO—部分之间的位置14， 优选毂盖13与球管IO接触。使过渡部分与球管10的最大直径一致是不太 优选的。其原因为，球管的最大直径与最低的水压力一致。结果，如果过 渡部分14与球管的最大直径一致，则在毂盖13和球管IO之间产生低压。
在本发明的优选实施例中，球管10的最大直径比螺旋桨毂5的直径大 1%-40%。发明者进行的试验指出，当球管的最大直径比螺旋桨毂5的直 径大20%时，效率提高最大。
现参照图3-7说明舵的设计。根据本发明，舵6扭转，使得它有曲面。 舵的扭转可以表示为当舵在中间位置时，舵6的一部分偏离垂直平面P的 角度P,该垂直平面P为由舵杆7的轴线和驱动轴4的轴线限定的平面。舵 6的曲率或扭转与当螺旋桨3驱动船向前时被螺旋桨3向后推进的水的旋转 方向相适应。舵扭转成与在舵6上流动的旋涡水接触。在围绕球管10的区 域上航的扭转最大。球管10的位置基本上与螺旋桨轴线4或驱动轴4同轴 (为了方便，用相同的标号4表示驱动轴和螺旋桨轴，因为推动器轴线与驱 动轴4重合)。由于这个理由，水的旋转运动在^t管的上面和下面的方向不 同。因此，球管10上面的区域在一个方向扭转/形成弯曲状，而球管10下 面的区域在相反方向扭转/形成弯曲状。舵6的扭转可达到旋转水的一部分 能量被回收的效果。这可提高效率。
根据图3-5所示的实施例，舵6的扭转从邻近螺旋桨3的前端8至相 对于螺旋桨3作为远端的后端9减小，使得舵6的后端9沿着直线延伸。 在根据图3-5的实施例中，在球管10的区域中，舵6的扭转最大，并且 随着离球管10的距离而线性地减小。图5为从舵6上面看的图，图中可看 出扭转的舵6的上部和下部。这里可看出，舵的前端8如何在^1^管10上面 的一个方向扭转并在球管IO下面的相反方向扭转。为了简单起见，在图5 中没有示出球管10。在图5中可以看出，舵6的后端9不扭转，并且后端 9在直线上延伸。图3表示与舵6的上端17相应的舵的横截面。在图3中 可以看出，舵6的上端17不扭转。图4中表示与舵6的下端18相应的横 截面。这里仍保留一定的残余扭转，但这里由角度(3表示的扭转比靠近球 管10的扭转小得多。扭转随着与球管的距离减小的原因为水的旋转随着 与螺旋桨轴线4的距离变化。在球管10上面或下面的舵10的最大扭转可 以高达15。。
现参照图6和图7说明航6的不同的实施例。在根据图6和图7的实 施例中，至少舵6的一部分从舵6的前端8至舵的后端9连续地扭转。因 此，甚至当舵6在中间位置时，舵6的后端9与和螺旋桨轴线4重合的平 面P限定角度Q(应当理解，当将符号Q用于舵的后端时，这个符号正如符 号|3—样表示扭转角度)。应当理解，图6表示在球管10下面的舵6的横截 面，而图7表示在球管10上面的舵的横截面。连续弯曲的舵具有可以回收 水中的更大部分的动能的效果。这可提高效率。
参照图3-7，也可看出，在球管的上面和球管的下面，扭转角(3不需 要相等地大。换句话说，不需要围绕该球管对称扭转。在本发明的优选实 施例中，在球管10下面和离球管一定距离处，扭转角(3实际上比在球管10 上面相同距离处的扭转角卩小。理由如下。舵6的扭转应与水的旋转运动 适应。水的运动有轴向分量和切向分量。在螺旋桨轴线上面，水更靠近船2 的船体。这可减小水的轴向速度。结果，螺旋桨3下游的水运动的切向分 量相对于轴向分量较大。在螺旋桨轴线下面，切向分量的绝对值可以等大， 但轴向分量还是较大。因此，水从不同角度与舵6接触。
现在参照图IO说明球管的不同的实施例。在图1和图2所示的实施例 中，球管10沿着与螺旋桨3的旋转轴线平行或同轴的轴线15延伸。应当 理解，球管IO适当为旋转的对称体(即球管10围绕着旋转轴线对称)。球管 10沿着它延伸的轴线15应被理解为旋转对称的轴线15。然而，发明者发 现，如果球管10沿着与螺旋桨3的旋转轴线成锐角的轴线15(特別是旋转
对称的轴线15)延伸，在许多情况下可达到较好的结果。其理由是水从螺旋 桨的流动经常是从螺旋桨稍微向上运动，而不是直着向后运动。因此，为
了使水围绕着球管IO对称流动，球管10应同样地倾斜。在球管10不是围 绕旋转轴线对称的情况下，球管的轴线15应想象为从球管10的最前点至 球管10的最后点的直线。
球管10的后端16在球管10的前端上方的高度上，并且球管10和螺 旋桨轴线之间的角度实际上可在1°-14。范围内，并且在许多应用中，适当 的值可以为3。 - 5°。
现参照图11和图12a和12b说明另一个实施例。如图11所示，毂盖 13具有邻近球管10的曲面19。如图11和图12a所示，^求管10的前端11 具有从假想点24沿着舵杆7的轴线延伸的曲率半径R,。毂盖13的曲面19 的曲率半径R2比曲率半径R,稍大。表面19的曲率半径112应理解为作为球 管10的前端11的曲率半径R,从相同的假想点24延伸。结果，当舵转动时， 可以保持毂盖13和球管IO之间的距离固定不变。如图12a和12b可清楚地 看出那样，只有球管10的前端11上的中心表面20具有曲率半径R,。该中 心表面20被曲率半径为R3的环形表面21包围。在图12a和12b中，标号 22表示中心表面20和包围的环形表面21之间的边界线。环形表面21的曲 率半径R3应理解为从假想圓23而不是从空间的点延伸。环形表面21的曲 率半径R3比中心表面20的曲率半径R,小。结果，R2>R,>R3。优选的是， 选择环形表面21的曲率半径113使得尺3的值为球管IO的直径DB的最大值 的4%-25%。通过使3求管10成形有曲率半径R3比中心表面20的曲率半径 小的环形表面，弯曲的中心表面20和其余的球管表面之间的过渡较平稳。 其余的球管表面可以利用成锥度的圆柱体表面25即在一定程度上类似圓锥 表面的表面进行说明。结果，当舵偏离中间位置时，球管10周围的水流较 少受到扰动。这可提高效率。为了在舵角度达到5。时使效率最优，选择R3 的优选范围为最大球管直径的4%-25%。在较大的舵角度时，效率的提高 不是那样大，但这不太重要。应使设计对于达到5。的舵角度最优的理由为 在商业运输的航海的重要部分过程中，希望舵角度达到5°。在海港外面很 少需要大于5。的舵角度。
由发明者进行的试验表明，当环形表面21的半径R3为球管IO的最大 直径DB的约25。/。时，可得到最好的结果。理论上当然可以设计球管10使
球管末端11的中心表面20没有不连续地一直延伸至球管IO达到其最大直 径的区域。然而，这在大多数实际应用中将使球管IO不希望地大。发明者 相信，使半径R3大于球管的最大直径25。/。可能没有什么优点，因为在一些 情况下，这会对毂盖13和球管IO之间的紧配合有害。
在发明者实现的实际实施例中，球管末端11的半径R,可以为螺旋桨 直径(一般的螺旋桨直径可以为2 - 6m)的约15 - 35%，而毂盖13的曲面19 的半径R2稍微大些，适当地为100mm这么大。
参照图11和图12a和图12b说明的设计优选与参照图1 - IO说明的技 术方案结合。这对提高效率的目的有帮助。然而，应当理解，图11-12b 中公开的技术特征也可独立地用于另外设计舵装置。
发明者发现本发明的将扭转的舵、球管和螺旋桨与毂盖结合可以提高 效率。测试结果表明，当使用本发明的概念时，效率可增加高达5%。这直 接与燃料消耗的类似减小相适应。根据每一种单独应用的精确情况，可使
效率增加超过5。/。。发明者还发现，船的机动性改善。
对于舵的一部分和位于舵杆7上游(即靠近螺旋桨)的球管，突出的侧面 积优选为舵的总面积(包括球管10的突出的面积)的25%-30%。发明者发 现，如果舵和位于舵杆上游的球管的面积大于舵总面积的30%,则可在舵 上产生负扭矩。舵将转离中间位置，并且必需施加扭矩，以防止舵6转离 中间位置。另一方面，如果舵杆7的上游的面积小于舵总面积的25%，则 舵有处在中间位置的非常强烈的趋向。然后，需要不必要高的扭矩来转动 舵6。然而，当然可以设想一些实施例，其突出的侧面积超过舵总面积的 30%或小于4化总面积的25%。
在本发明的实际的实施例中，通常螺旋桨的直径为1.5m-6m。螺旋桨 毂的直径一般为螺旋桨直径的25%-30%。对于直径为6m的螺旋桨，轮毂 直径的范围为1.5m- 1.8m。通常，舵的高度可与螺旋桨的直径相比较。
虽然以上就船的操纵和推进装置说明了本发明，但应理解，本发明也 可以利用带有本发明的装置的船说明。本发明还说明了重新建造船的方法， 该方法包括为了提供带有上述本发明装置的船所必需的步骤。
权利要求
1.一种用于船(2)的推进和操纵装置，该装置包括a)具有轮毂(5)和至少两个螺旋桨叶片的旋转的螺旋桨(3)；b)配置在螺旋桨(3)下游的可转动的舵(6)，该舵(6)被扭转；c)在舵(6)上的与舵(6)成一整体的流线型球管(10)，该球管与螺旋桨(3)隔开一间隙(e)；和d)在螺旋桨毂(5)上的盖(13)，毂盖(13)跨接螺旋桨(3)和球管(10)之间的间隙(e)。
2. 如权利要求1所述的装置，其中球管(10)的最大直径比螺旋桨毂(5) 的直径大1%-40%,而且优选比螺旋桨穀(5)的直径大20%。
3. 如权利要求1所述的装置，其中球管(10)沿着与螺旋桨(3)的旋转轴 线平行或同轴的轴线(15 )延伸。
4. 如权利要求1所述的装置，其中球管(10)沿着与螺旋桨(3)的旋转轴 线成锐角的轴线(15)延伸。
5. 如权利要求4所述的装置，其中球管(10)的后端(16)在球管(10)的前 端上方的高度上，并且球管(10)和螺旋桨轴线之间的角度为1°-14°。
6. 如权利要求1所述的装置，其中在螺旋桨(3)和球管(10)达到其最大 直径的球管(10)的部分之间的位置，穀盖(13)与球管(10)接触。
7. 如权利要求1所述的装置，其中舵(6)的扭转从邻近螺旋桨(3)的前端 (8)至相对于螺旋桨(3)作为远端的后端(9)减小，使得舵(6)的后端(9)沿着直线 延伸。
8. 如权利要求1所述的装置，其中至少舵(6)的一部分从舵(6)的前端(8) 至舵的后端(9)连续地扭转。
9. 如权利要求1所述的装置，其中舵(6)的扭转在球管(10)的区域最大 并且随着与球管(10)的距离减小，而且优选随着与球管(10)的距离线性地减
10. 如权利要求1所述的装置，其中毂盖(13)和球管(10)的前端设计成 使得当转动舵(6)时，球管(10)和盖(13)之间的距离保持固定不变。
11. 如权利要求1或8所述的装置，其中航(6)的最大扭转为15°。
12. 如权利要求1所述的装置，其中舵(6)在球管(10)上面和下面的不同 方向上4丑專争。
13. 如权利要求1所述的装置，其中舵(6)的一部分和位于舵杆(7)上游 的球管(10)具有的突出的侧面积为舵(6)和球管(10)的总的突出的侧面积的 25% - 30%。
14. 一种设有如权利要求1 - 13中任一项所述的装置的船。
全文摘要
本发明涉及船的操纵和推进装置。本发明的操纵和推进装置包括螺旋桨(3)和舵(6)。流线型的推进球管(10)与舵成一整体或与舵固定连接。本发明还涉及带有本发明的装置的船(2)。
文档编号B63H1/00GK101184663SQ200680017102
公开日2008年5月21日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年4月20日
发明者卡里·克罗维尔纳兰, 戈兰·彼得森 申请人:罗尔斯-罗伊斯股份公司