推进单元的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的推进单元。

背景技术：

国际专利公布99/14113公开了一种用于船舶的系统和用于在冰条件下移动船舶的方法。系统包括传动轴、附连到传动轴上的螺旋桨，以及包围螺旋桨的喷嘴。喷嘴具有水入口和水出口，以及附连到传动轴的一部分上的可旋转叶片或导叶，传动轴的该部分突伸到水入口的外部，以冰进入喷嘴之前将冰打破或打碎。叶片或导叶的最大直径点相对于水入口的平面定位在为螺旋桨的直径的0.02倍至0.25倍的轴向距离处。可旋转叶片或导叶的直径是螺旋桨的直径的0.6倍至0.8倍。

美国专利2,714,866公开了一种用于推进船舶的装置。在图4中显示的实施例中的马达壳体附连到竖向方向舵轴上，并且从而可由来自船舶内部的方向舵轴转动。电动马达定位在马达壳体内。包围壳体的喷嘴用平接头零件支承在壳体上。电动马达驱动的拉力螺旋桨在喷嘴内定位在壳体的前端处。平接头零件略微弯曲，使得它们捕捉来自螺旋桨的水的螺旋运动。这使水流的最终速度的螺旋运动分量变成轴向方向，且用来进行剪切。

美国专利8,435,089公开了一种航海发动机组件，其包括可安装在船舶的船身下方的吊舱。航海推进组包括：机械地连接到支承支柱上的至少一个吊舱；螺旋桨，其位于吊舱的后端处，并且具有至少两个叶片；以及至少三个导流翅片的组件，导流翅片紧固到吊舱上。这个翅片组件形成基本垂直于吊舱的纵向轴线的环，所述环位于定位在所述支承支柱的中心部分和螺旋桨之间的区内。推进组进一步包括喷嘴，它至少部分地包围螺旋桨和所述环。各个所述叶片呈现具有边缘的端部，边缘与喷嘴的内壁齐平，使得螺旋桨组成螺杆泵的转子。翅片在船舶的正常前进方向上定位在螺旋桨前面。在螺旋桨后面没有翅片。

例如在石油钻探中使用的所谓的动态定位(dp)船舶中使用喷嘴。喷嘴形成中心导管，其具有从喷嘴的第一端到第二端的轴向水流径。螺旋桨产生的推力在低速下由喷嘴放大。喷嘴可在低速下产生高达40%的总推力，其中螺旋桨产生60%的总推力。在这样的船舶中存在若干个推进单元，并且推进单元使船舶保持稳定地就位。因而在低速下需要很大的推力，以便使船舶在强浪中持续地保持就位。

技术实现要素：

本发明的目标是实现改进的推进单元。

根据本发明的推进单元由在权利要求1的特征部分中所述来限定特征。

一方面，提供一种推进单元，它包括从船舶的船身向下延伸的支承支柱、附连到支承支柱的下端上的壳体、布置到壳体的端部上的螺旋桨、环形喷嘴，环形喷嘴包围螺旋桨叶片的外周缘，并且利用支承结构不动地支承在壳体上，支承结构包括在壳体的外周缘和喷嘴的内周缘之间的至少三个导叶，所述喷嘴具有入口开口和出口开口，其中用于水流的导管通过环形喷嘴的内部形成于入口开口和出口开口之间。螺旋桨沿行驶方向拉动船舶，水从喷嘴的入口开口自由地进入螺旋桨的叶片，并且喷嘴的支承结构完全定位在喷嘴的内部，并且在船舶的行驶方向上在螺旋桨后面，支承结构定位在螺旋桨和支承支柱之间。

在实施例中，推进单元包括：

从船舶的船身向下延伸的支承支柱，支承支柱的上端可旋转地支承在船身的底部部分处，

附连到支承支柱的下端上的壳体，

定位在壳体内的第一电动马达，

附连到壳体的第一端上的轮毂，

第一轴，其具有附连到第一电动马达上的第一端和附连到轮毂上的第二端，

螺旋桨，其包括附连到轮毂上的至少三个叶片，

环形喷嘴，其包围螺旋桨叶片的外周缘，并且利用支承结构不动地支承在壳体上，支承结构包括沿径向方向在壳体的外周缘和喷嘴的内周缘之间延伸的至少三个导叶，所述喷嘴具有入口开口和出口开口，其中用于水流的导管通过喷嘴环形的内部形成于入口开口和出口开口之间。

在实施例中，推进单元的特征在于：

螺旋桨沿行驶方向拉动船舶，

喷嘴的支承结构沿船舶的行驶方向定位在螺旋桨后面，其中所述支承结构中的导叶得到优化，以使螺旋桨产生的流的旋转流分量转向成轴向推力。

喷嘴的支承结构沿船舶的行驶方向定位在螺旋桨后面。这意味着螺旋桨产生的螺旋形流将传送通过支承结构。可按照尽可能多地将螺旋桨流的旋转分量转向成轴向推力来优化导叶的形式、位置、角和数量。

附图说明

在下面将参照附图，借助于优选实施例来更详细地描述本发明，其中：

图1显示根据本发明的推进单元的竖向横截面，

图2显示根据本发明的推进单元的水平横截面，

图3显示推进单元的一部分的立体图，

图4a显示喷嘴的实施例，

图4b显示转子的实施例，

图4c显示定子的实施例，

图5示出吊舱单元和喷嘴的示例性尺寸，

图6显示喷嘴尺寸和推力效率之间的依赖性，以及

图7显示喷嘴尺寸和推力效率之间的另一个依赖性。

具体实施方式

将在下面通过参照一些实施例来公开本发明。实施例涉及舰艇/船舶的推进单元。

在实施例中，推进单元是电动方位角推进器，其中电动马达布置到直接连接到螺旋桨上的水下吊舱单元上。电动马达的电可由原动机产生，诸如船舶上的燃气或柴油发动机。

在另一个实施例中，推进单元是方位角机械推进器。在这个实施例中，马达布置在船舶内部，并且通过设备连接到推进单元上。马达可为柴油马达、电动马达或者它们的组合。轴布置可为l型或z型。

在又一个实施例中，推进单元可在旋转方面是固定的，即不可旋转。在这种实施例中，提供额外的方向舵来控制船舶的定向。马达可为布置在水下吊舱或船舶上(即，在船舶内部)的电动马达，或者布置在船舶上的机械推进器。

下面将参照实施例来解释本发明，其中推进单元具有布置在水下吊舱单元上的电动马达，但要理解的是，公开的涉及喷嘴和诸如螺旋桨和导叶的有关特征的概念不依赖于在哪里和如何产生推进功率。

图1显示根据本发明的实施例的推进单元。推进单元20包括空心支承支柱21、壳体22、第一电动马达30、第一轴31、轮毂40、螺旋桨50和包围螺旋桨50的环形喷嘴60。螺旋桨50沿第一方向s1(即，船舶的行驶方向)向前拉动船舶。如果想要使船舶沿相反方向行驶，则方位角推进单元可旋转180度，由此推进单元仍然以拉动模式工作。因而螺旋桨设计和优化成沿主要旋转方向运行。

在一些情形(诸如紧急情形)中，例如，可保持推进单元的定向，但螺旋桨的旋转方向可反过来，以使船舶制动，以及/或者使船舶向后行驶。在这个模式中，螺旋桨通过将水推动到螺旋桨前面来工作。但这种运行是临时的，并且螺旋桨不是针对这种运行而优化的。

支承支柱21从船舶的船身10向下延伸。支柱21的上端21a延伸到船舶的船身10的内部，并且可旋转地支承在船舶的船身10的底部部分处。支承支柱21进一步具有面朝船舶的行驶方向s1的前缘21c。壳体22附连到支柱21的下端21b上。壳体22具有贡多拉的形式，其具有第一端22a和相对的第二端22b。贡多拉可具有至少基本水滴的形式，其中第一端22a(即前端)可比第二端22b(即吊舱的后端)更钝。因而壳体/吊舱布置成在钝头22a在前面的情况下航行/形式，以最大程度地减小水的阻力。当船舶向前行驶时，壳体22的第一端22a朝向船舶的行驶方向s1。

轮毂40连接到壳体22的第一端22a，并且螺旋桨50附连到轮毂40上。第一轴31的第一端31a连接到定位在壳体22内的第一电动马达30上，并且第一轴31的第二端31b连接到轮毂40上。轮毂40且从而还有螺旋桨50相对于被第一电动马达30驱动的第一轴31旋转。第一轴31围绕轴线x-x旋转。

螺旋桨50包括至少三个沿径向延伸的叶片51、52，有利地3至7个叶片51、52。水直接进入螺旋桨50的叶片51、52，没有任何分配元件定位在螺旋桨50前面。因而例如，在行驶方向上在拉力螺旋桨前面没有导叶，由此允许水自由地进入螺旋桨的叶片。根据正常航海螺旋桨定尺寸过程来设置螺旋桨50的叶片51、52的尺寸。针对自由进入的三维水流而优化螺旋桨50的叶片51、52的几何构造，从而考虑到下游装备，诸如喷嘴60的支承结构70和支承支柱21。

环形喷嘴60包围螺旋桨50叶片51、52的外周缘。轴线x-x还形成环形喷嘴60的轴向中心线。在有利实施例中，螺旋桨在喷嘴60的纵向方向上的中心离喷嘴60的入口开口61在螺旋桨50的直径0.30倍至0.45倍的范围中。

环形喷嘴60具有入口开口61和出口开口62，其中中心导管65形成于喷嘴60的入口开口61和出口开口62之间。中心导管65形成供水流过环形喷嘴60的内部的轴向流径。喷嘴60的形状设计成实现最小自引发式阻力和最大推力。必须优化喷嘴60的长度、厚度和相对于壳体22的位置。在一个有利实施例中，喷嘴60的长度的范围介于螺旋桨50的直径的0.45倍至0.65倍之间。在另一个有利实施例中，喷嘴的长度是螺旋桨的直径的0.45倍至0.55倍。壳体22的前端22a的角对喷嘴60的外形具有很大的影响。将参照图4a至7更详细地解释这一点。

环形喷嘴60不动地附连到壳体22上，支承结构70包括沿径向延伸的导叶71、72，导叶71、72在壳体22的外周缘和喷嘴60的内周缘之间延伸。存在至少三个导叶71、72，有利地2至7个导叶71、72在壳体22处支承环形喷嘴60。

螺旋桨叶片和导叶的数量可彼此不同，以避免非静态力。在一些实施例中，定子具有的导叶可比转子具有的叶片更多。在一些实施例中，差是一(1)，也就是说，定子的导叶比转子所具有的叶片多一个。在实施例中，螺旋桨可具有4个叶片而定子具有5个导叶。

导叶71、72沿船舶的行驶方向s1定位在螺旋桨50后面。旋转螺旋桨50使水沿第二方向s2(即，船舶的行驶方向)流过中心导管65，从中心导管65的第一端61到中心导管65的第二端62，第二方向s2与第一方向s1相反。螺旋桨50产生的推力由环形喷嘴60放大。因而螺旋桨50沿第一方向s1拉动船舶。

支承结构70的导叶71、72接收来自螺旋桨50的叶片51、52的螺旋形水流，因为导叶71、72沿船舶10的行驶方向s1定位在螺旋桨50内部。导叶71、72收回螺旋桨50的叶片51、52产生的旋转能。导叶71、72使螺旋形水流的旋转流分量转向成轴向方向。这将提高螺旋桨50产生的推力。

导叶70的截面形状设计成最大程度地减小自引发阻力。考虑到进入的三维水流(即，来自螺旋桨50的水流)来设计各个导叶71、72。当设计导叶71、72时，还要考虑定位在导叶71、72下游的支承支柱21的影响。

优化支承结构70中的导叶71、72，以使螺旋桨50产生的流的旋转流分量转向成轴向推力。通过计算螺旋桨50在支承结构70前面产生的流场来实现优化。可用计算流体力学(cfd)或更简单的板块法来进行计算。当流场为已知时，则确定相对于进入流在导叶71、72的径向方向上的最佳角分配，使得最大程度地提高导叶71、72产生的额外推力和导叶71、72产生的自引发阻力之间的比率。各个导叶71、72的厚度和长度之间的比率由导叶71、72的强度确定。导叶71、72承载和供应螺旋桨50产生的推力和水力负载。

在实施例中，螺旋桨因而对自由进入/直接进入螺旋桨的水产生旋转扭矩。在行驶方向上在螺旋桨后面，旋转水流进入导叶，导叶对水流产生与螺旋桨相反的扭矩。从而导叶恢复轴向水流。因而导叶通过相反的扭矩来补偿螺旋桨产生的旋转扭矩，以在水离开导叶和喷嘴时，使进入导叶的旋转水流恢复到轴向推力。因而可以说，当与螺旋桨所施加的扭矩相比时导叶对水流施加逆扭矩，逆扭矩至少基本均衡了螺旋桨的旋转作用，使得喷嘴提供直接水流作为结果。有利的是，导叶定位在喷嘴的内部，即在喷嘴的入口和出口开口之间。照这样，轴向水流尽快恢复，这最大程度地提高从喷嘴获得的推力。

螺旋桨50和支承结构70完全在喷嘴60内，即，在喷嘴60的入口端部61和出口端部62内。也就是说，螺旋桨叶片和导叶位于由喷嘴限定的管内部。

支承支柱21的上端21a附连到船舶的船身内的大齿轮26上。第二电动马达110通过第二轴111连接到小齿轮112上，小齿轮112连接到转动的轮子26的嵌齿上。因而第二电动马达110将使大齿轮26转动，并且从而还使推进单元20转动。因而推进单元20可旋转地支承在船舶的船身10处，并且可围绕竖向中心轴线x-y相对于船舶的船身10旋转360度。图仅仅显示了一个第二电动马达110连接到大齿轮26上，但当然可有两个或更多个第二电动马达110驱动大齿轮26。

在船舶的船身10内产生电动马达30、110中所需的电功率。电功率可由连接到内燃机上的发电机产生。通往第一电动马达30的电功率由电缆供应，电缆从船舶的船身10的内部内的发电机延伸到推进单元20。需要滑环组件100来连接船身10内的大齿轮26，以便将电功率从固定船身10传送到可旋转推进单元20。

第一轴31的中心轴线x在图中显示的实施例中沿水平方向定向。但是，第一轴31的中心轴线x可相对于水平方向倾斜。因而壳体22可相对于水平方向倾斜。这在一些情况下可产生水力优点。

推进单元20的旋转轴线y-y和轴线x-x之间的角α1有利地是90度，但可小于90度或大于90度。

图2显示根据本发明的推进单元的水平横截面。图显示支承支柱21和壳体22。支承支柱21在船舶的船身处支承推进单元20。支承支柱21的水平横截面显示支承支柱21的前缘21c朝进入水流倾斜角α2。支承支柱21的前缘21c可得到优化且在形状上设置成通过使前缘21c朝进入水流倾斜来提高整个单元的推力。因而支承支柱21可从支承结构70后面的三维流收回其余旋转能。支承支柱21的前缘21c的倾斜角α2的变化范围为0度至10度。在有利实施例中，倾斜角的范围为3度至7度。优选地，倾斜是朝向接近的转子叶片。也就是说，如果转子顺时针旋转，当从支柱的后面看时，倾斜指向右边。支承支柱21的前缘21c的倾斜角α2可沿径向方向改变。可用计算流体力学(cfd)或更简单的板块方法来计算喷嘴60的支承结构70后面的水流角，以便确定角α2。

螺旋桨50的叶片51、52定位在第一轴向区x1中，并且支承结构70的导叶71、72定位在第二轴向区x2中。第二轴向区x2在船舶的标准前进方向s1上定位在第一轴向区x1后面的轴向距离x3处。

螺旋桨50具有从穿过螺旋桨50的叶片51、52的径向外边缘的圆测得的直径d1。

图3显示推进单元的一部分的立体图。图显示壳体22和包围壳体22的喷嘴60。图进一步显示一个导叶71。各个导叶71、72的截面角α3沿径向方向在0度至15度之间改变。在一个优选实施例中，该角为3度至10度。截面角α3是在轴向方向x-x和导叶71、72的平面的径向方向之间的角。换句话说，这个角限定导叶相对于纵向轴线x-x如何倾斜，纵向轴线x-x还限定螺旋桨的旋转轴线。

图4a显示喷嘴的一个实施例的3d图。因而喷嘴在几何上可为具有开口端的圆柱形或者去顶圆锥。喷嘴的外形可取决于被喷嘴包围的吊舱的外形。优选地，吊舱和喷嘴之间的开阔区域在喷嘴的前部中比在喷嘴的尾部中更大。喷嘴的前部指的是喷嘴的较接近置于喷嘴内的螺旋桨的端部。在另一个实施例中，喷嘴的两个端部的直径基本相同。

图4b显示转子/螺旋桨的实施例的3d图。可看到螺旋桨包括基本圆柱形中间部分、转子盘，叶片固定到转子盘上。叶片的固定到转子盘上的基部部分可相对于螺旋桨的旋转轴线略微倾斜。叶片的外形可进一步具有扭转形式，使得在叶片的末梢处，叶片的后端比前端沿径向更加远离叶片的基部。

图4c显示定子的实施例的3d图。定子的导叶还可相对于转子的旋转轴线倾斜。定子叶片的倾斜可与转子叶片的倾斜的方向相反。例如，在当从转子的后部看时，图4b中的转子叶片向右倾斜时，图4c的定子叶片可向左倾斜，这表示导叶的前端比导叶的后端更靠左。当与转子的旋转轴线相比时，导叶的倾斜可高达15度。优选地，导叶倾斜相对于沿纵向穿过吊舱的纵向轴线介于3度至10度之间。

由于转子叶片和定子导叶的倾斜是相反方向，所以它们对水产生基本相反的旋转作用。也就是说，导叶布置成基本对水产生与转子叶片相反的旋转力，由此转子的旋转作用基本由定子补偿，使得离开定子的推力至少基本是轴向的。

图5显示推进单元的一部分的实施例，以示出各种尺寸和尺寸之间的依赖性。在图5中，使用了以下缩写。

dα是喷嘴前部在吊舱22的主要航行方向上的直径。dβ是喷嘴尾部的直径，也就是说，喷嘴在吊舱22的航行方向上的端部。dα指的是吊舱在喷嘴前部的平面处的直径，而dβ指的是吊舱在喷嘴尾部的平面上的直径。din是在其上固定有转子叶片的转子盘的平面上的内部喷嘴直径。drh指的是转子轮毂的直径。

此外，作出以下定义。

，其中sα是喷嘴前部的截面积，并且sin是喷嘴在转子盘处的截面积，

，其中sβ是喷嘴尾部的截面积，并且sβ

。

图6显示α和螺旋桨产生的推力之间的关系。可看到，当α(代表喷嘴的前头处的开阔水流面积除以转子盘处的开阔水面积的得数)为大约1.25时，推力最大程度地提高。最佳范围可限定为介于1.15至1.35之间，甚至更优选地介于1.20至1.30之间。这里推力示出了由螺旋桨所覆盖的区域上的力有多大。

图7显示β(表示喷嘴的尾部处的开阔面积除以转子盘处的开阔面积的得数)和螺旋桨产生的效率之间的关系。可看到，当β小于1.10，尤其是介于1.00和1.10之间时，实现了效率的略微改进。

本发明及其实施例不局限于上面描述的示例，而是可在权利要求的范围内改变。