船舶推进单元的制作方法与工艺

文档序号:13045102阅读:328来源:国知局
技术领域本发明涉及船舶推进单元,其中所述单元包括流线型主体,并且其中所述推进单元与传统/常规船舶推进构件相比能耗显著更低。发明背景当能源和环境问题在世界范围内被列入议程时,从已知船舶技术的改进过程中产生了新的理念。在此过程中,来源于船舶推进系统的部件的损耗源一直是多年来不变的焦点和研究对象。复合材料的改良正影响着更高效船舶推进技术的发展。此所提出的新推进系统的目的在于通过组合独特的被动式能量吸收单元使用新的且不同的主动式能量传递单元将机械能传递到水来获得更高整体推进效率。主要存在商业上使用的两种主要推进系统或概念。借助于布置在船尾端和喷水口中的推进器的推进,造成水从船尾端的喷射并且在船体的水下部分上的别处具有进水口。当今的船舶推进系统中的关键损耗区域为可达30%的推进器涡流损耗或角动量损耗的主要现存损耗,以及达30%的源于齐平的管道进口(相对于船体侧的成角进口)的水喷射设备中的损耗,以及来自两个系统的表皮摩擦或剪力墙应力(边界层效应)。在这方面,当推进器搅动水,从而在推进器周围及后方产生成角旋转的一定量水(角动量损耗)时,涡流损耗将被认为是施加于水的能量。所述一定量的被搅动的水具有高能耗,所述能量本可用于向前推进。表皮摩擦或剪力墙应力在喷水系统的进口处尤其明显。在湿润表面上,将存在接近水速度为零所在的表面的边界水层,并且同时与表面的摩擦关系将需要额外的能量以便克服导致增加的能量使用的表皮摩擦或剪力墙应力。发明目标因此,本发明的目标在于提供一种推进系统,其消除常规推进系统的损耗并且提供其他优点。发明描述本发明通过提供一种船舶推进单元满足此目标,其中所述系统包括流线型主体,其中所述主体具有前端和后端,其中在使用中所述前端将面朝上游而所述后端面朝下游,其中所述前端垂直于预期行进方向的横截面比所述后端大,并且其中所述前端或邻近所述前端处具备进水口开口,其中所述开口与叶轮连通,所述叶轮绕平行于所述预期行进方向的轴线旋转,其中所述叶轮具有一个或多个叶片,借此进入所述进水口开口的水远离所述叶轮的旋转轴线径向地被排出,其中所述排出的水被迫穿过一个或多个喷嘴,从而将所述排出的水沿着所述流线型主体的外表面导向。当被排出的水被迫穿过一个或多个喷嘴,优选地整流喷嘴将所述被排出的水的切线分量优选地导向到相对于叶轮旋转所围绕的轴线的径向方向上并且进一步沿流线型主体的外表面,其中流线型主体的曲率使轴向方向上的水流朝向流线型主体的后端,此效应显著。在此上下文中,术语整流喷嘴将被理解为以预定以及明确定义的方向/流动导向和控制被迫穿过整流喷嘴的水的喷嘴。本发明的新型船舶推进单元的概念的背景在于事实:来源于泵技术的现代叶轮在单独测试时可获得远高于90%的效率,这在组合流线型主体的低总阻力指数时提供十分有效的推进,在与现有技术装置相比时也是如此。新型推进系统的部件每个具有十分低的单独摩擦损耗,这些损耗组合产生较低损耗,从而达到较高总体推进效率。新型推进系统优选地由理想地以零倾角旋转的流线型主体组成,并且在下文中也将被称为POD,意为整个系统。来自推进系统的推力源于对系统产生影响的水。由于使水加速的叶轮动态机制迫使流经系统的水的相对动量变化和当水流流经流线型主体并沿流线型主体流动时由喷嘴导致的切线分量的流动方向到径向方向(再次,相对于叶轮旋转轴线)的变化(其中由于POD的表面的曲率,流动方向改变为轴向方向,朝向流线型主体的后端)。至少在本上下文中,“理想地以零倾角旋转的流线型主体”应被理解为经设计接近理论定义的对称主体,但是允许小偏差以便能够将所述主体用于实际应用。例如,所述主体具备一个或多个支柱/梁以便将主体附接到船,以将推进力传递到所述船。因此,叶轮充当从pod前方区域中抽吸水、使水加速并由于提供一个或多个喷嘴而沿pod的弯曲外表面以受控方式排出水的泵。当叶轮旋转时,其将产生负压并且从而将水吸入叶轮,所述水由于叶轮的旋转力而将被加速并沿叶轮的外周被排出。在此位置下,将大体上环绕所述叶轮布置一个或多个整流喷嘴。所述整流喷嘴用于将被排出的水流的切线分量的方向变成径向方向并且随后沿pod的主体导向经加速的水,其中所述pod的表面曲率将流动方向变成轴向方向和尾部流动,而所述主体在相反方向上被推动。在本发明的实施方案中,其中提供仅一个整流喷嘴,此喷嘴可覆盖叶轮的外周的部分或整个外周并且以此方式产生在pod的表面上大体上均匀分布的大体均匀水流。在提供更多喷嘴的情况下,可以预见可单独地调整喷嘴以使得在pod的表面上流动的经加速的水可具有不同层厚度、速率和动能含量,以使得沿pod的主体的水流的动量变化可改变,借此使所述pod变得可转向。可以预见,在其他实施方案中,当主体的表面的开始部分的弯曲具有将独自将流动方向从径向变成轴向方向的均匀平滑的曲率时,可减小或移除整流喷嘴的外部部分。还可以预见,所述喷嘴可以经定向以提供反向推力,从而阻止所述pod的前进并从而阻止安装所述pod的船的前进。还可预见,所述喷嘴可以经定向以微调切线流分量,将经导向到所述喷嘴中的水的流动方向优化成朝向流线型主体的船尾的方向。为了从pod产生大体均匀推力以用于平滑操作,有利的是具有对称的pod构造,以使得由横跨pod表面的水流的方向变化产生的推力在整个pod的表面上将是大体上均匀的。在本发明的又一有利实施方案中,穿过流线型主体的纵向平面的整个横截面一般具有水滴形状,其中后端朝向尖端逐渐变小。此构造提供具有重要方面的pod,所述重要方面在于流过pod的主体的水将具备最佳能量耗散,产生最大推力。尤其是具有逐渐变小的后端将最小化产生湍流和紊流的倾向,并且因而存储在水流中的动能将有效地从叶轮的旋转传递沿pod的表面以及根据pod的逐渐变小(后)端传递到推力中。所述pod自然还具备用于将单元附接到船的构件,其中所述构件适合于将推力(推进力)传递到所述船。附接构件将具有使得其能够传递由pod产生的力的性质,并且同时将有利的是将所述附接设计为具有最小流动阻力,以使得能量损耗最小。为了这些目的,在一些实施方案中,可能需要偏离所述pod的对称构造以便补偿用于将单元附接到船的构件的影响。自然地将实施附接构件(即,支柱和/或梁)与pod自身的完整组合设计,以便最小化pod周围或pod与船之间的湍流的产生。本发明的另一有利实施方案中,进水口开口、叶轮和一个或多个喷嘴布置在流线型主体的表面上,使得将沿流线型主体的外表面(直接)引导离开所述喷嘴的排出的水。通过将进水口开口和叶轮布置在流线型主体的表面上,实现在上游水撞击叶轮之前,所述水不被扰动。同时,从叶轮射出穿过喷嘴的水被直接导向到流线型主体的表面上,而在其他实施方案中,其中叶轮布置在更受保护的位置,所述保护性布置可引起水流进入叶轮时和离开叶轮时的扰动。当不布置叶轮以使得经加速的水直接沿pod的表面排出时,从喷嘴的表面到pod的表面在水压上经设计为恰当的,即,以使得确保层流。在本发明的另一有利实施方案中,喷嘴具有环形、布置在流线型主体的表面上的叶轮周围,并且喷嘴被分成多部分。喷嘴用于控制和导向离开叶轮的水并因而沿流线型主体导向经加速的水。通过将喷嘴分成分离的部分并且能够控制每个部分的几何结构,可控制水流沿着流线型主体并从而控制沿pod的不同部分的水的推进力,并且从而提高对pod所附接到的船的控制。在另一十分重要的实施方案中,布置在叶轮上的叶片全部与叶轮的旋转中心间隔开径向距离,从而使得叶轮的中心区域作为无叶片表面,所述表面具有大体上垂直于叶轮的旋转轴线的平面。所述无叶片表面可为指向行进方向的圆锥形形状或具备另一合适的轮廓。通过在叶轮的中心部分提供开放部分,叶轮将不会引起任何涡流或湍流,并且因而进入叶轮的水将不会存在能耗,从而为叶轮提供用于为叶轮提供动力的能量与传递到离开叶轮的水的能量之间的好得多的比率。与传统船用螺旋桨相比,由于螺旋桨通常布置在螺旋桨前方的轮轴上并且典型地将在水到达螺旋桨浆叶、由浆叶施加推进能量之前产生一半角动量损耗(接近轮轴的损耗、浆叶尖端处的损耗和由于推进器拖动的水量形成的损耗)的事实,螺旋桨推进器中存在大量能耗。通过将开放表面布置在叶轮的中心,还消除或至少大大减少此角动量损耗。本发明还涉及一种提供推进的方法,其中上文论述的推进单元布置在船舶的水下部分上,水在所述部分处被输送到推进单元的进水口开口中,并且水在开始与布置在旋转叶轮上的叶片接触时被加速,使得水通过喷嘴从叶轮排出沿着推进单元的表面,以使得推进单元的前部分上的经加速的水产生负压并且沿着所述单元的后部分提供推力,从而提供推进。通过实施所述推进单元所实现的优点对应于上文论述的优点。因为推进系统中的破坏性气穴现象的风险由于船和推进单元的速度增大而最小化,所以此实施方案作为高速推进系统是有利的,其中气穴现象的开始可控,并且只要增加更多动力,将可获得更高的船速。在此上下文中,本发明的又一有利实施方案是重要的,在所述实施方案中可相对于径向方向定向或调整布置在叶轮上的叶片。通过能够调整叶轮上的叶片,可在速率(即,叶轮的旋转速度)、穿过水的船速等的大体上任何组合下实现水流与叶片之间的最优冲角。附图说明现将参考附图解释本发明,其中图1示出根据本发明的实施方案的船舶推进单元图2示出进水口开口13,在所述开口中布置叶轮图3示出在喷嘴构件中布置喷嘴的实施方案图4示出附接到被促使旋转的轮轴的传统螺旋桨的计算机模拟。图5为在水中行进的单元图6示出主体的表面具有凹陷并且驱动轴在行进方向上延伸的实施方案。具体实施方式图1中示出根据本发明的实施方案的船舶推进单元1。所述推进单元1包括流线型主体10,所述主体10具有前端11和后端12。在使用时,前端11将面朝上游,即,将布置在单元所附接到的船的行进方向上。前端11垂直于行进方向的横截面比后端12大。此外,在前端11中提供进水口开口13,在所述开口中布置叶轮,参见图2。叶轮绕轴线14旋转,从而使水加速进入进水口开口13并且同时将水流的方向变成大体上径向于旋转轴线的方向。当附接到船的船舶推进单元1在水中行进时,在pod前方沿轴线14的水流将与水中的船速相同。由于叶轮的旋转,所述水将被加速并以实质上更高的速度从叶轮排出。被加速的水将被迫穿过一个或多个整流喷嘴15并从而沿流线型主体10的外表面经导向。在参考图1示出的实施方案中,喷嘴15布置在喷嘴构件16中,同样参见图3。在图1和图3中示出的实施方案中,整流喷嘴15沿叶轮的整个外周布置,但可取决于沿船舶推进单元1的主体10的水的所需流动来利用任何喷嘴设计和组合。在图2中示出示意性叶轮17。在此实施方案中,叶轮包括经布置绕中心19旋转的圆盘18,以使得叶轮17将从箭头20所指示的方向接收水并且在箭头21所指示的方向上以实质上相等的量排出水,即,使径向和切线分量的组合优选地径向并从圆盘18平均地分配(即使箭头21仅指示两个方向,仍清楚的是被加速的水将沿圆盘18的整个外周径向地排出)。由于叶轮的旋转,水将被加速,以使得在方向21上离开叶轮的水将具有比进入叶轮17的水20更高的动能水平。叶轮17具备大体上在径向定向上沿叶轮表面以所需间隔布置的叶片22。叶片的设计在此实施方案中为弯曲的,但也可设计为笔直且扁平的叶片。典型地,叶片将相对于径向方向23稍微成角。也可以预见,可取决于所需推力、叶轮转数、船速等调整/微调叶片的定向。因此可简单地通过使整个叶片或叶片的部分转向来调整叶片与水的冲角(即,叶片相对于径向方向转向的程度)。在此实施方案中,叶轮具有定位在距圆盘18的中心19一定距离以使中心区域实质上开放并不受干扰的叶片。这很重要,原因在于进入进水口开口13(参见图1)的水在与圆盘18接触以及叶片的旋转在方向21上推进水之前将实质上不受干扰。根据将参考图4论述的现有技术,如果叶片立即与水接触,例如通过直接从圆盘的中心开始,那么会发生涡流损耗。这将产生一定量的进口涡流,所述涡流将缩减叶轮的效率。在图4中示出附接到轮轴31的传统螺旋桨30的计算机模拟,所述轮轴31被促使旋转,从而以传统方式产生用于船舶的推进。由于螺旋桨的旋转,出现了指示湍急水流的大量涡流。集中在轴向方向上,中心涡流损耗由于旋转涡流32的产生而发生,所述旋转涡流32由轮轴31的旋转以及推进器30的浆叶的最里部分绕轮轴旋转引起,以使得轮轴不会促成推进力。此外,推进器30的单个浆叶33具有远端,尖端损耗34发生在所述远端,所述尖端损耗也不会促成推进,而仅仅扰动水,从而在每个推进器浆叶33的远端处形成湍流34。这些湍流34不会促成推进器设备的推力。此外,由于水经加速穿过螺旋桨,其主要在轴向方向上经加速,但一部分在成角方向上经加速,进一步增加涡流损耗并且以此方式造成上文提及的损耗,所述损耗总量高达由于扭矩而施加于水的动能的30%。军舰设计者自然将找到浆叶数目、浆叶面积和上文描述的损耗之间的最优关系,以使得为传统推进器解决方案实现每单位能量的最优能量使用和最高推进。然而,对于本发明,不会发生这些涡流损耗32和湍流损耗34。当单元1以给定速度在水中行进(参见图5)时,水将如图5中所示出流进和流出叶轮和整流喷嘴并且沿推进单元的主体10流动。由于叶轮17(参见图2)的旋转,水将在单元1的前端11处被吸入。此吸入由流线41指示。由于叶轮的旋转和叶片22(参见图2)的泵作用,水将大体上垂直于流入方向41被排出,以使得水将穿过整流喷嘴15被排出沿着单元1的表面10。由于附壁效应,被加速的水42将沿着弯曲表面而行。附壁效应是长期确定的现象,其中代替以直线流动和离开弯曲表面,流体(例如空气或水)的喷射将保持附着在沿弯曲路径的表面并沿所述表面而行。当忽略流体(在此情况下为水)与水沿之流动的表面(在此情况下为单元1的外表面10)之间的摩擦时,仅作用于流体质点的力是归因于压力,所述压力将因此引起经加速的水的层42的内部与外部之间的压力差,以使得外部压力大于内部压力。在流42上将存在压力梯度,以使得靠近表面10将存在负压,以保持沿单元表面的流动。因此,当经加速的水42沿船舶推进单元1的表面10流动时,将由于加压水离开船舶推进单元1的后(逐渐变小)端12而产生推力。以此方式产生推力,以使得叶轮使水加速,即,向水施加动能以在沿船舶推进单元1的表面10的水流42中产生动量变化,从而产生提供对船舶单元1和其所附接的船的推进的推力43。取决于船的速率(即,速度)并且因而取决于船舶推进单元在水中的速度、单元1的曲率、水的密度(其将由于温度、盐含量等而变化),可相应地设计整流喷嘴开口15或所述整流喷嘴开口可调整以便改变单元的表面10上的加压水42的流型。通过改变具有动能的水流42的厚度或其速率,可由于产生的推力的变化而将推进单元1推动到不同方向上,并且以此方式使船舶推进单元转向并因而使船转向到所需方向。在参考图式示出的实施方案中,叶轮大体上布置在船舶推进单元1的表面10上,但其他实施方案包括叶轮并任选地包括布置在单元1前方的空腔中的表面下方的整流喷嘴,以使得进水口开口13与叶轮连通并且叶轮通过整流喷嘴排出水沿着与推进单元1的外表面10平滑连通的表面。取决于船的速率并且因而取决于船舶推进单元1的速率,与水下叶轮和整流喷嘴接触的水中的周围压力上升将延迟整个推进系统的推力产生部分中的源于与局部压力相关的相关流动速度的气穴现象的开始。因为推进系统中的破坏性气穴现象的风险由于船和推进单元的速度增大而最小化,所以此实施方案作为高速推进系统是有利的,其中气穴现象的开始可控,并且只要增加更多动力,将可获得更高的船速。在图6中,表面10具备凹陷48,借此阻止产生如上文所描述在水中行进期间形成于单元外部上的边界层,借此来自流42的压力梯度持续不变并且负压将进一步明显。代替凹陷,可提供小凹口(即,进入单元的主体的凸起)或凸起(从单元的表面(平面)突出的凸起)或“鲨鱼皮”(尤其用于高速船的熟知湿润表面加工),以便实现相同目的,即,抑制产生边界层。在图6中还示出在pod的行进方向上延伸的驱动轮轴44。此驱动轮轴与传统推进器轮轴具有可比性,以使得船体内部的常规船用电动机装置和布置在根据本发明适配pod时不需进行改变。此外,pod具备呈附接梁或支柱46形状的附接构件。此梁46用于将pod附接到船,并且承载pod而且还将至少一部分推力从pod传递到船。为了能够比较本发明和传统船用推进器与喷水口,公开于“PrinciplesofNavalArchitecture,再次修订版第II卷,1988”中的完善以及公认计算模型特别参见132至135页以及225至227页,所述页在此以引用方式并入。在计算中,仅需要少数假设和适应。相较于传统方法,所述理论使用本发明提供显著更佳的能量使用,如下表中所总结。为了计算目的,将本发明与用于发往马士基航运公司的最新TripleE系列集装箱货运船上使用的推进器进行比较。认为这些推进器是所设计以及使用过的最(能量)有效推进器。“HBI”指代本发明。上表示出本发明与用于马士基航运公司TripleE系列集装箱货运船中的推进器之间的比较计算。每一列表示不同的进口面积。倒数第二行中的结果指示31.42m2的进口面积以较少能耗提供较大推力。进口面积越大,结果越好。
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