具有大型螺旋桨和变速箱的船舶的制作方法

本发明涉及一种具有大型螺旋桨的船舶，特别涉及一种具有大型螺旋桨和同轴对转螺旋桨(CCP)的船舶。

背景技术：

船舶、特别是货船的燃料成本是其经济方面的主要成本之一，因此燃料消耗是货船设计的最重要的方面之一。目前减速的趋势(缓慢汽蒸)意味着船体形状的主要改进的潜力非常小，因为船舶阻力的绝大部分主要取决于船舶的浸水表面积。船舶推进系统中具有显著损失(即具有节约潜力)仅有的部件是主发动机和螺旋桨。对于不参与发动机设计的船舶设计者，这使得螺旋桨效率成为主要的感兴趣领域。为了使螺旋桨尾流中的动能损失最小化，必须增加通过螺旋桨盘的质量流量，因此必须增加螺旋桨直径。节省潜力取决于螺旋桨负载，这意味着节省潜力随着直径的增加而减小。甚至考虑到目前安装的相对较大的螺旋桨，估计潜力大于10％。

螺旋桨直径通常受两个因素限制，即发动机的每分钟转数(RPM)和船舶吃水。由于船用发动机的最近发展已经提供了能够以相对较低的RPM输送非常大的功率的发动机，所以对螺旋桨直径的主要约束因素是船舶吃水。货船螺旋桨通常在船舶基线上方具有小的间隙，并且即使在压载状态下螺旋桨也必须完全浸没。

对于具有一些吃水变化的货船，可合理容纳的最大螺旋桨，具有大约为设计吃水75％的直径。通过应用特殊的船尾主体(即，在螺旋桨上方的凹形船体部分)形状，例如半导管，可以使得较大的螺旋桨被浸没，但是造成的浸水表面的增加迄今仍导致与螺旋桨效率增加对应的大小的阻力增加。已经建成多艘这种类型的船舶，但设计尚未证明具有竞争力。然而，它仍然应该被认为是货船设计中功率减少的潜在来源。

技术实现要素：

在这个背景下，第一方面是提供一种具有提高的燃料效率的船舶。

这通过提供由发动机驱动的船舶来实现，所述船舶包括：船体，所述船体具有在船首和船尾之间延伸的基线；发动机，所述发动机设置在船体内部；一对同轴对转螺旋桨，所述一对同轴对转螺旋桨在船体的船尾处或附近串联安装在同心轴上并且可操作地连接至发动机，并且所述一对同轴对转螺旋桨包括具有第一半径的第一螺旋桨和具有小于所述第一半径的第二半径的第二螺旋桨，所述同心轴的轴线距所述基线的竖直距离V至少等于所述第二半径且小于所述第一半径，并且所述第一螺旋桨被设置成在特定角位置保持静止，而所述第二螺旋桨可通过发动机而旋转。

对于大部分作业时间在深水中的船舶，延伸到基线以下的非常大的螺旋桨提供了节约潜力，但是允许在浅水中完全吃水的问题意味着这种潜力迄今尚未得到利用。本发明允许使用非常大的两叶片型或三叶片型螺旋桨，且当该螺旋桨在合适的角位置保持静止并且直径的显著部分在基线以下且因此在压载条件下仍然可以完全浸没时，轴高度足以在基线上方提供间隙。串联安装在同心轴上的一对同轴对转螺旋桨，与具有相同直径的单个螺旋桨相比具有更高的流体动力学效率。原因是由单个螺旋桨引起的切向速度分量不会有助于推力，而来自同轴对转螺旋桨的前面的螺旋桨的切向速度分量由第二螺旋桨消除，这使其向后偏转，从而有助于向前的推力。第二(即最靠近船尾的)螺旋桨通常稍微小于第一螺旋桨。这在一定程度上是由于通过螺旋桨盘加速时的流的收缩，以及一定程度上是由于由减小的桨距角引起的在较大直径处的切向速度减小。具有在旋转期间延伸至基线之下的很少叶片的非常大的螺旋桨和在基线上方的较小的同心对转螺旋桨的组合提供了非常大的螺旋桨和对转的螺旋桨的推进功率的最大程度的减小，同时在浅水中保持推进。

在第一方面的第一可行实现方式中，第一螺旋桨具有多个叶片，并且第二螺旋桨具有多个叶片，第一螺旋桨的叶片的至少尖端在第一螺旋桨的旋转期间突出至基线之下，并且其中特定旋转位置是第一螺旋桨的叶片没有突出至基线之下的不工作位置。

在第一方面的第一可行实现方式中，船舶还包括将同心轴与发动机可操作地连接的变速箱，该变速箱具有至少两个位置：第一位置，其中第一螺旋桨和第二螺旋桨可操作地连接到发动机以在发动机运行时对转；以及第二位置，其中第一螺旋桨在特定角位置保持静止，并且第二螺旋桨可操作地连接以在发动机运行时旋转。

然而，为了工作，这样的对转螺旋桨需要驱动系统，该驱动系统允许大螺旋桨在预定角位置保持静止，而较小螺旋桨保持以降低的速度推进船。大螺旋桨的直径可以具有与船舶设计吃水深度相同的大小，对于大型集装箱船，其可以为14m以上。

在第一方面的第三可行实现方式中，在船舶的压载状态下第一螺旋桨完全浸没。

在第一方面的第四可行实现方式中，第一螺旋桨是两叶片型或三叶片型。

在该背景下，第二方面是提供一种用于驱动一对对转螺旋桨的传动装置，所述一对对转螺旋桨串联安装在具有单个发动机的同心轴上。

这通过提供一种传动装置来实现，该传动装置包括：输入轴，其中第一传动装置的第一齿轮永久地安装在输入轴上且第二传动装置的第二齿轮通过离合器安装在输入轴上，且离合器被构造成将第二齿轮与输入轴选择性地接合；可操作地连接至第二齿轮的制动器；具有内轴和外轴的同心输出轴；永久地固定到外轴的第三齿轮，第三齿轮与第二齿轮啮合；永久地固定到内轴的第四齿轮；以及可围绕另一旋转轴线旋转的第五齿轮，第五齿轮与第一齿轮和第四齿轮啮合。

在第二方面的第一可行实现方式中，离合器是液压可控的和/或电子可控的，和/或其中制动器是液压可控的和/或电子可控的。

在第二方面的第二可行实现方式中，外轴或第三齿轮设置有能够在一个轴向方向上处理推力的推力轴承，并且第四齿轮设置有能够在两个相反轴向方向上处理推力的推力轴承。

从下面描述的示例性实施方式中，本发明的这些和其它方面将变得明显。

附图说明

在本说明书的以下部分中，将参考附图中所示的示例性实施方式更详细地解释本发明，其中：

图1是根据示例性实施方式的示出螺旋桨装置的船舶的示意性后视图；

图2是根据图1的船舶的船尾的示意性截面图；

图3是根据图1的船舶的船尾部的详细视图，示出了船舵和螺旋桨；

图4是根据图1的船舶的示意性后视图，示出了一对同轴对转螺旋桨中的一个螺旋桨的不工作位置或锁定位置；

图5和图6是在根据图1的示例性实施方式的船舶的变型中使用的变速箱的不同截面图；

图7是根据实施方式的螺旋桨和螺旋桨轴的截面图；

图8是根据图1的另一示例性实施方式的船舶的船尾部的截面图；

图9是图8所示的示例性实施方式的船舶的更详细的截面图，示出了双发动机和相应的变速箱；

图10是根据示例性实施方式的船舶的截面图；以及

图11是根据另一实施方式的螺旋桨和螺旋桨轴和吊舱驱动器的截面图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，将通过示例性实施方式描述船舶。图1、图2和图3示意性地示出了船舶的船尾部。船舶1包括船体2和上部结构3(如图10所示)。在一实施方式中，船舶1是货船。船舶1设计成具有预定吃水深度，该预定吃水深度被选择为使得船舶1的吃水深度不超过停靠港的水深度。该吃水深度被确定为当船舶1满载时船体2的基线20的深度。基线大致在船体2的船首和船尾之间延伸。还示出了处于压载状态的船舶1的吃水线15。

内燃机10位于船体2内部。在一实施方式中，内燃机10是大型低速运行二冲程自燃式内燃机。大型二冲程内燃机10设置有变速箱14，变速箱14又连接到驱动轴13。驱动轴13包括两个同心轴(下面将进一步更详细地描述)。一对同轴对转螺旋桨串联安装在同心轴上。该对同轴对转螺旋桨包括第一螺旋桨11和第二螺旋桨12。第一螺旋桨11具有半径R1，第二螺旋桨12具有半径R2。第二螺旋桨12的半径R2小于第一螺旋桨11的半径R1。

包括两个同心轴的驱动轴13具有从变速箱14基本水平地延伸到所述一对对转螺旋桨的轴线9。轴线9位于距离基线20的水平距离V处。半径R2等于或小于水平距离V，使得当第二螺旋桨12旋转时，第二螺旋桨12的叶片22不会突出至基线20下方。半径R1大于水平距离V，使得当第一螺旋桨11旋转时，第一螺旋桨11的叶片21突出至基线20下方。在压载操作中，螺旋桨轴13的轴线9和吃水线15之间的水平距离B大于半径R1，从而确保第一螺旋桨11在压载操作期间也完全浸没。

船舵17正好位于该一对对转螺旋桨的后方，并且船舵17能够绕轴线7枢转，以便控制船舶1的方向。

图4示出了当船舶1在浅水中(例如，在港口或渠道中)航行时处于特定角位置(非工作位置)的第一螺旋桨11，在该位置螺旋桨被锁定。在该特定角位置(非工作位置)，第一螺旋桨11的叶片21不突出至基线20之下。在浅水操作中，第二螺旋桨12旋转以用于将船舶1向前或反向推进，其中第二螺旋桨12通过大型内燃机10沿适当的两个旋转方向(在实施方式中发动机是可逆转的)旋转。由于第二螺旋桨12的半径R2小于水平距离B的事实，第二螺旋桨12的螺旋桨叶片22不会突出至基线20之下，因此不会增加船舶1的有效吃水深度。

当前面的第一螺旋桨11锁定时，后面的较小螺旋桨12在前面的第一螺旋桨11的附近运转，产生稍微不均匀的尾流场。这不被认为是实质性缺点，这是因为后面的较小第二螺旋桨12仅在前面的较大的第一螺旋桨11处于锁定位置下使用，以用于船舶1的较少部分(即在浅水中)的推进。

在深水操作期间，第一螺旋桨11和第二螺旋桨12都通过大型内燃机10旋转以产生前向推力(trust)，其中第一螺旋桨11和第二螺旋桨12对转，并且第一螺旋桨11的叶片21突出至基线20之下。

为了建立由单个发动机10(其可以保持第一螺旋桨11静止)机械驱动的一对同轴的对转螺旋桨，设置变速箱14，该变速箱14包括离合器43和制动器42，如图5和图6所示。变速箱14已经分成两个传动装置，每个螺旋桨11、12一个传动装置，并且两个传动装置由同一输入轴31驱动。输入轴31位于变速箱14底部的两个同心输出轴32、34的上方。

可以以每级大于98％的效率制造大型传动装置，并且对于安装在外轴34(船尾齿轮33、38)上的大的第一螺旋桨11的驱动器仅具有一个级。非常大的第一螺旋桨11可能需要低于适合于发动机10的转速，并且船尾齿轮因此被示出为减速齿轮，但是应当理解，船尾齿轮33、38也可以具有1:1的比率。为了获得对转，用于安装在内轴32(前面齿轮35、39、40)上的第二螺旋桨12的驱动器必须具有两个级。该驱动器始终是接合的，第二螺旋桨12与发动机10一起停止和起动。

以推力凸轮和米切尔块形式的推力轴承34、36、37集成在变速箱14中。在一个实施方式中，输出轴32、24上的齿轮33、35可以兼作推力凸轮。块34、36、37示出为在内轴齿轮35的两侧，但仅在外轴齿轮33的前侧。这反映了其中第一螺旋桨11不用于输送任何向后推力的系统。

变速箱14被分成两个单独的空间47、48，并且在一实施方式中，两个驱动器的润滑系统是分离的，以便在传动装置故障的情况下确保一定的冗余。用于第一螺旋桨11的第一齿轮38相对于输入轴31自由旋转，并且扭矩必然通过安装到输入轴31的尾端的多盘式摩擦离合器43传递。离合器43中的每个第二盘具有齿形中心切口，并且与具有外齿条的输入轴31连接，并且每个第二盘具有齿形周边，并且与具有内齿条的壳体连接。当盘被液压致动器压在一起时，与齿轮38结合的壳体被锁定到输入轴31，从而与第一螺旋桨驱动器接合。

当船舶1接近浅水时，可以在不停止发动机10的情况下使第一螺旋桨11驱动器断开接合。类似于离合器43但在离合器40的前面安装在旋转壳体外侧的制动器42然后将壳体锁定到变速箱14的静止部分，从而保持第一螺旋桨11在适当(不工作)角位置静止。由于离合器43和制动器42都是液压操作的，断开接合和制动非常适合于与用于自动控制第一螺旋桨11的操作的控制系统连接。在一实施方式中，控制系统接收来自回声测深器和其它导航系统的输入。

是否需要在用于大螺旋桨的驱动器正接合时停止发动机10，取决于离合器吸收充分消耗的能量(而不存在过度温度上升)的能力。不管怎样，接合是可行的。

在一实施方式中，为了使由离合器43或制动器42中的板之间的粘性摩擦而造成的损失最小化，当断开接合时，避免板浸入齿轮油中。离合器和制动器可以是“干的”或部分浸入的，即在稀少量的润滑油中工作。在板之间安装盘形弹簧可以是防止它们在断开接合时紧密接触的一种方式。

在一实施方式中，如图7所示，第一螺旋桨11具有顺桨螺旋桨叶片21。当船舶1仅通过较小的第二螺旋桨12和/或以任何有效速度运行延长时段时，大的第一螺旋桨11的叶片21可以必须被顺桨(即与流对齐)，以避免制动系统上的过大阻力和扭矩。这意味着叶片21必须能够绕径向轴线(桨距轴线)旋转。

由于同心轴32、34，传统的可控桨距系统是不可行的，但是通过将叶片的作用力中心充分定位在桨距轴线的船尾处(朝向后缘)，当第一螺旋桨11停止而船舶1向前移动时，叶片21将自动地进入顺桨位置。这将与高度偏斜的叶片设计适配。当第一螺旋桨11开始转动时，作用在叶片21上的推力将增大桨距(即围绕桨距轴线旋转叶片)，直到叶片21在预定位置碰到止动装置。利用根据该实施方式的顺桨系统，大的螺旋桨11不能提供任何向后推力，并且所有向后航行(manoeuver)必然仅使用更小的第二螺旋桨12来执行。同心螺旋桨轴32、34和轮毂在图7中大体示出。止动装置可以以各种方式制成，而并未示出。一种方式是切除叶片下缘的一部分，并且放置止动块，该止动块可以与轮毂的内部成一体，使得其填充所切除掉的一部分。与该装置相关，液体“阱”(即，填充有润滑剂的一种腔体)应当被认为是桨距阻尼装置。当旋转叶片下缘接近止动块时，腔体积必然减小，迫使液体流过一个或多个小开口，从而确保软止动以及防止可能的振动。

图8和图9示出了具有双发动机驱动器的船舶1的另一个实施方式，其包括大型内燃机10和较小型内燃机50。变速箱54将大型内燃机10操作性地连接到第一螺旋桨11，将较小型内燃机50连接到第二螺旋桨12。变速箱15包括独立的两组传动装置，每组传动装置具有用于它们中的每一者的壳体隔间。将大型内燃机10连接到第一螺旋桨11的传动装置位于变速箱54的后部，并且包括安装在输入轴52(其直接联接到大型内燃机10的曲轴)上的齿轮53。齿轮53与安装在外同心轴34上的齿轮55啮合，该外同心轴34又连接到大的第一螺旋桨11。将较小型内燃机50连接到第二螺旋桨12的传动装置位于变速箱54的前部，并且包括齿轮58，齿轮58与安装在内同心轴32上的齿轮56啮合，该内同心轴32又连接到第二较小螺旋桨12。在第一螺旋桨11和第二螺旋桨12是对转的深水操作期间，较小型内燃机50沿相对于大型内燃机10的旋转方向相反的方向旋转。在浅水操作中，大型内燃机10停止，并且由于大型内燃机10和第一螺旋桨11之间的永久连接，第一螺旋桨11也因此停止。在一实施方式中，大型内燃机10可以设置有用于在特定角位置使发动机停止的装置，使得大的第一螺旋桨11在不工作位置停止，其中第一螺旋桨11的叶片21不突出到船体2的基线20之下。在大型内燃机10停止并且较小型内燃机50反转的情况下进行向后航行。

图11示出了使用吊舱驱动器(pod drive)的实施方式。驱动系统使用安装在非常大的常规驱动的第一螺旋桨11(第一螺旋桨11由内燃机通过简单的驱动轴驱动)的后部的电驱动的第二螺旋桨12(吊舱驱动器57)。用于吊舱驱动器的电力可以由船舶1中的发电机组(未示出)提供。点驱动器可绕轴线7旋转，以便有助于控制船舶1的方向。

已经结合本文的各种实施方式描述了本发明。然而，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实施所要求保护的本发明时能够理解并实现所公开的实施方式的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。在权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。