专利名称：机械驱动的无毂高效船用推进器的制作方法
机械驱动的无毂高效船用推进器本发明涉及一种机械驱动的无毂高效船用推进器。已知各种设计方案的船用牵引机构，例如船用螺旋桨形式。常规的固定螺距螺旋桨的缺点是需要在中间有一个安装桨叶的浆毂。所谓的可调螺距螺旋桨，即，螺旋桨桨叶的角位置(螺距角)在运转过程中可变化的螺旋桨的浆毂特别大。此外，已知的双螺旋桨型的船用螺旋桨还需要轴承座和驱动轴，这些均会产生涡流和阻力，必须将这种阻力保持在尽可能小的程度。实现良好的推进效率是长期以来的任务。但是迄今为止并未成功使得螺旋桨-船系统的效率达到75%以上，因为还必须对桨叶旋转过程中的叶尖涡流空化效应的影响加以
考虑。 除了有缺点的上述螺旋桨之外，已知还有环驱式推进器。所涉及的是其叶片从外侧驱动的环指向内侧的外转子。现代环式驱动器通常为电驱动，并且具有环式电动机。这样就产生了一种非常紧凑的结构型式，该结构型式尤其可以将此类装置作为船首侧推器(Bugstrahlruder)。已知的电动环式驱动器的外观很吸引人,但是却有相对较差的效率，因为产生电能并且将电能转变为旋转能的局部效率会产生较差的总效率。本发明的任务在于给出一种推进器，所述推进器的效率明显好于广泛应用的、具有不可调叶片的电动环式驱动器。网站http:"www. marineloR. com中发表的^marinelog(海事记录)”期刊文章就介绍了劳斯莱斯公司的一种实施方式。使用环式驱动器可以省去船舶附体，从而减小船尾阻力。但是将旋转能转变为电能并转变回旋转能所需的机械仍然存在效率差的问题。因此，本发明建议将一种具有传统齿圈/小齿轮构造的机械传动装置用于船用推进器。与传统类型的螺旋桨传动装置相比，可以明显提高效率，并且明显改善船尾阻力。如果推进器中的叶片构造成角度可调，并且使叶片的角位置持续地适应于推进器内的局部流动条件，就能大幅改进效率。根据沿圆周方向的叶片位置，单独地使每个单独叶片的角位置(螺距)适应于局部流动条件。也就是说，叶片位置在旋转过程中持续变化。可利用其形状与船尾流场相关的导向滑块和导轨实现该操作。采用本发明的这种新颖的和有创造性的实施方式能够一下子显著提高推进器的效率，这是因为可以考虑推进器中不同的水流条件。可以独立于入流条件而优化水在推进器中的加速度。这将会对所产生的推力起到正面作用。如果调整推进器的倾角使之适应于在船周围流过的水的流动方向，同样也会产生正面效应。在本发明的实施方式中规定，尤其机械地、特别是通过导轨、滑轨和导向滑块来使叶片的角位置适应于局部流动条件。使用导向滑块和导轨可以得到一种牢固并且可靠的、用于角位置的机械式方案，例如从福伊特-施奈德(Voith-Schneider)驱动装置已知利用机械装置实现较高的工作可靠性。导轨的形状取决于船的尾流场，可根据局部流动情况进行设计，以便实现较高的推进器效率和很小的空化效应。如果通过偏心驱动机构调整每一个叶片的角度，也能实现较高的工作可靠性。这些偏心驱动机构特别牢固，并且已在许多类型的机器中得到了验证，例如具有升降高度调整装置的压机。在本发明的另一种实施方式中规定，通过伺服马达使角位置适应于局部流动条件。尤其是实施成永磁环式电动机的伺服马达同样具有较高的工作可靠性，并且具有可以根据角位置调整其摆动速度的优点。叶片的调整范围设计成可以从向前推进切换到向后推进。非常有利地为驱动装置本身选择具有位于外侧的齿圈的转子，并且外齿圈和小齿轮的齿数选择成在推进器和船用机器之间不需要使用变速机构。采用这种措施也能大大提高驱动效率，从而产生船用推进器迄今为止从未达到过的高效率。在本发明的另一种实施方式中规定，将推进器设计成双推进器，也就是采用两个并置的推进器。这样非常有利于改善船的流出特性，这是因为水流可以贴紧船尾。驱动轴的倾角可适应于入流方向。这样就能将发动机低置，从而使得船的质心下
移，有利于船的稳定性。在本发明的另一种实施方式中规定，推进器具有两个沿流动方向相继排列的反向运转的转子。如此就能产生非常有利的结果，从推进器流出的水束不再旋转，从而也能将水束的旋转能用于推进。在一种特别简单的实施方式中规定，不采用位于前一个转子的射流中的第二个转子，而是代之以使用一个不旋转的导向叶片环(Leitschaufelkranz)(定子)。其叶片可允许使角位置一般适应于例如推进方向改变或者浅水中的地面效应引起的流向变化。专业人士通常不推荐具有对转螺旋桨叶的船用推进器，这是因为估计到较高的空化效应的风险。但是由于这种空化效应并非是叶尖涡空，并且本发明所述的推进器在外半径中没有相应的螺旋桨叶尖(叶尖)，所以不会预期有空化效应的风险。因此，可以没有问题地采用使将水加速的元件的反向旋转的结构，从而改善效率。也可以使用不旋转的导向叶片环。不旋转的导向叶片环当然不会产生与旋转的转子同样好的效率。将叶片根部连接到外齿圈上的连接部设计成球形，以避免在叶片的迎角(Anstellwinkel)改变时形成间隙并由此产生空化效应。为了获得比常见船用螺旋桨更好的流体动力学特性，将喷口至少部分集成到船底之中，并且也将驱动轴至少部分地布置在船的双底之中。这样就能使得船尾区域中的船底侧构造的阻力特别小，从而有助于进一步改善船-船用推进器系统的效率。为了进一步改进推进器-船系统，可参考推进器的入流对船阻力的影响来优化推进器的转速和叶片位置，为此可以一并考虑船的平衡位置与荷载状况以及其它影响因素，例如(植被)和水下船体的情况。也可一并考虑推进器之外同样会影响效率的因素。调节装置适宜地具有一个非易失性存储器，可以将比较条件尤其是平衡位置与荷载状况保存在存储器之中，并且可以将存储内容作为船用推进器工作的依据。以下将根据附图
对本发明进行详细解释，从这些附图中也可看出本发明的其它细节。附图示出附图I是船尾布置结构的示例；附图2是至转子的动力传递装置的侧视图；附图3是叶片连接至转子上的连接部，同样是侧视附图4是叶片迎角控制装置的正视图；以及附图5是推进方向的控制装置的放大俯视图。 附图I所示为一种特别有利于流动的船尾布置结构，21表示船底，20表示转子的外齿圈。10表示转子的叶片，8表示转子在其中运转的喷口。在两个转子之间，船底加长部分(俗称呆木)可向下延伸。未示出用于小齿轮和外齿圈的清洗装置，例如高压清洗喷管，这种喷管尤其可以在港口停泊较长时间之后用来清洗小齿轮和齿圈。附图2所示为至转子的动力传递系的细节，I表示用于两个转子的驱动轴，这些转子具有小齿轮2,该小齿轮用于传递第一个转子的动力，3表不用于改变旋转方向的齿轮。4表不第一个转子，5表不第二个转子。6表不用于为第二个转子传递动力的小齿轮,8表不转子在其中运转的喷口。7表示转子的轴承，以17和18表示转子的旋转方向。20表示后一个转子的齿圈，19则表示前一个转子的齿圈。如果不选用对转的布置结构，而是使用定子，则可以省去后一个转子的齿圈。附图3所示为叶片连接至转子上的连接部的侧视图，10表示各个叶片。从该图中也可看出不需要中间的浆毂，这可以改善流动情况，并且允许在喷口中间直接流过。通过导向滑块控制叶片位置。这些导向滑块均固定在转子上，因此可以跟随转动。13和15表示导向滑块Ilb的导轨(参见附图5)，最好使得每个转子仅需要有一个导轨。导轨的形状取决于船的尾流场。17、18表示转子的旋转方向，如果不是反向旋转的布置结构，而是使用一个定子，则可以省去后一个转子的旋转方向。19表不前一个转子的齿圈，20表不后一个转子的齿圈。当然如果不使用反向旋转的布置结构，则可以将其省去。附图4所示为各个叶片的迎角控制装置的放大正视图。可通过齿轮12驱动叶片10在轴承7中转动。附图5所示为叶片的控制装置的细节，Ilb表示可以在滑轨Ila上来回运动的导向滑块。4/5表不第一个转子或第二个转子。13或15表不用于控制叶片迎角的导轨,如之前所述。16表示用于将导向滑块定位在导轨上的滚轮。本发明所述推进器的优点尤其是可以无级地控制推进方向。在俯视图中以O表示水的流入方向，17表不前一个转子的旋转方向，18表不后一个转子的旋转方向。附图5所示为两个导轨系统13和15，这些导轨系统借助执行器14沿轴向相向移动或者相互分离。这造成齿轮12的角位置的变化，该齿轮与相应叶片的根部相连，这会改变叶片螺距。由此就能无级地控制推进方向，也就是驱动装置可以将推进方向从前进改为后退，而无需改变驱动轴的旋转方向。因此，相应转子的工作点可适应于主机的最佳工作点。总而言之，附图所示的示例与现有技术相比具有以下优点通过在旋转过程中使叶片的迎角精确、连续地适应于局部流动情况来减小空化效应。将驱动功率分配到两个转子，也就是平分推进负荷度，因此效率很高。通过使用反向运行原理(反向旋转)并利用第一个转子的涡旋能产生更多经过第二个转子的推力，而没有常见的对转螺旋桨的缺点，因此效率很高。以简单的机械方式控制转子叶片的迎角，与传统的可调螺距螺旋桨相比省去了浆毂。可在旋转过程中连续调整叶片的迎角，因此不需要使用扭曲(Skew-Verlauf)的叶片形状，从而可减少叶片几何形状的制造成本。通过精确地控制推进方向，船的可操控性更高。由于每个驱动装置使用两个转子，因此冗余度更高。驱动轴位于船身之中，因此抵抗驱动轴损坏的安全性更高。转子也是如此，这是因为转子位于集成到船身中的喷口内。可理解，该驱动装置比具有固定螺距螺旋桨的螺旋桨驱动装置更加复杂，但是本发明所述驱动装置的机械系统具有与福伊特-施奈德(Voith-Schneider)驱动装置一样的 可控性。而效率则明显高于福伊特-施奈德(Voith-Schneider)驱动装置，并且在具有两个并列推进器的首选实施方式中，也能使得船具有良好的直线航行性能，而且也可以通过两个推进器的不同推力调整来辅助旋转运动。
权利要求
1.ー种机械驱动的无毂高效船用推进器，所述船用推进器包括具有环状叶片(10)的至少ー个转子，装配有齿圈的转子经由轴(I)与船用发动机相连接，所述轴具有用于传递旋转运动的小齿轮(2)，其中，所述转子设置在喷ロ(8)内，以及所述转子的旋转叶片(10)分别构造成角度可调，且在毎次旋转过程中使所述叶片的角位置能适应于局部流动条件、尤其是适应于所述喷ロ(8)内的入流条件，并且所述推进器的倾角较佳地适应于流动方向。
2.如权利要求I所述的推进器，其特征在于，机械地、特别是通过导轨(13，15)、滑轨(Ila)和导向滑块(Ilb)使所述角位置持续地适应于所述局部流动条件，所述导轨(13，15)的造形取决于船的尾流分布。
3.如权利要求I或2所述的推进器，其特征在于，通过移动导轨来使推进方向反向。
4.如权利要求I所述的推进器，其特征在于，通过偏心机构使每个单独叶片的所述角位置持续地适应于所述局部流动条件。
5.如权利要求I所述的推进器，其特征在于，通过伺服马达或者液压执行器使所述角位置适应于所述局部流动条件。
6.如权利要求I至5中任一项所述的推进器，其特征在于，所述转子具有位于外侧的齿圈(19，20)，所述齿圈(19，20)和小齿轮(2，6)的齿数选择成在推进器与船用发动机之间不需要变速机构。
7.如上述权利要求中的一项或多项所述的推进器，其特征在于，所述推进器设计成双推进器。
8.如上述权利要求中的一项或多项所述的推进器，其特征在于，所述推进器具有两个沿水流方向前后排列的转子，所述转子较佳地设计成反向旋转的转子。
9.如权利要求I至7中的一项所述的推进器，其特征在于，不旋转的导向叶片环(定子)沿流动方向设置在转子前面，所述导向叶片环的叶片尤其允许根据情况使所述角位置适应于例如浅水中的地面效应所引起的绕流变化或者推进方向变化。
10.如上述权利要求中的一项或多项所述的推进器，其特征在于，所述喷ロ(8)至少部分地集成到船底(21)或者呆木中。
11.如上述权利要求中的一项或多项所述的推进器，其特征在于，所述驱动轴(I)至少部分地设置在所述船的双底、船舱或者呆木中。
12.如上述权利要求中的一项或多项所述的推进器，其特征在于，所述推进器具有调节装置，所述调节装置将螺旋桨桨叶调整成达到船用发动机的最佳运行条件。
13.如上述权利要求中的一项或多项所述的推进器，其特征在于，所述推进器具有调节装置，所述调节装置考虑到尾流场的影响、例如船的平衡位置与荷载状况以及其它影响因素来优化所述推进器的转速和叶片位置。
14.ー种船，其特征在于，使用至少部分地集成到船底中的推进器、尤其是双推进器，所述推进器包括在运行过程中角度可调的叶片和机械驱动装置。
全文摘要
毂本发明涉及一种机械驱动的无毂高效船用推进器，其包括带有呈环状的叶片(10)的至少一个转子，配有齿圈的转子通过轴(1)与船用发动机相连接，该轴具有用于传递旋转运动的小齿轮(2)，转子布置在喷口(8)之中，可以分别调整转子的旋转叶片(10)的角度，在每次旋转过程中使叶片的角位置连续地适应于局部流动条件、尤其是喷口(8)内的入流条件。
文档编号B63H5/14GK102686477SQ201080039620
公开日2012年9月19日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月8日
发明者M·阿布戴尔-马克苏德 申请人:图泰克创新有限公司, 汉堡-哈尔堡技术大学