船用推进系统的制作方法

专利名称：船用推进系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船用推进系统，其包括一个或几个安装在每一根轴上的推进器，推进器产生驱使船只向前的驱动力。借助驱动轴在推进器壳体内旋转的推进器设置有旋浆式叶片，产生向后的射流。
背景技术：
通常公知的船用推进装置，优选地是通过射水装置使军用和民用船只快速运动的推进装置包括推进器。围绕设置有叶片的转动推进器的壳体固定地安装在船壳的后部。推进器一般由钢轴驱动，该轴通过适宜的结构而向柄延伸，而该结构又由一个或几个处于船壳内的发动机驱动。沿运动方向稍微向下倾斜的管状进水口设置于推进器壳体前部，以便提供大量的水。因此，驱动轴穿过所述管状进水口。船借助推进器壳体下游的转向装置控制，该装置可以沿不同方向引导射流，也可向前引导射流，得到减速效果。
由于推进器的驱动轴贯穿进水口，进入推进器的水入流在某种程度上被扰乱，这意味着在推进器叶片上产生载荷分配不均衡。所述不均衡载荷意味着弯矩内向朝向推进器的固定点传递给推进器。由于这些影响推进器和它的固定点的力的变化，对轴承和密封件提出十分高的要求。SE424845通过将推进器固定地安装在轴上，并布置一轴承装置以允许一定角度偏差而解决所述问题。但是，所述方案较重，尤其是由于它需要设计有弯曲刚性的驱动轴(为了不冒太大角度偏差的之险)，而使轴十分重的。不寻常的是，在这个设计中驱动轴的重量大约达到射水装置的总重的10％，(喷水式推进器装置的重量包括泵单元的、推力轴承和轴颈轴承的、推进器和推进器壳体、转向和换向装置的重量，其中泵单元包括具有导向叶片的定子部件)。
SE457165和SE504604中公开了另一方案，其中使用不能控制角度偏差的轴承装置，在驱动轴和推进器之间代之以采用弹性联轴器，该弹性联轴器处理角度偏差。同样，最后叙述的方案导致一较重设计，尤其是由于这样的联轴器意味着额外的重量。另外，其暗示了联轴器对于流动设置在临界状态的缺点，这使它难于获得最佳的流动条件。而且，联轴器意味着功率限制。已经意识到在这种用途中限制功率传递的零部件是不理想的，尤其是对于经常希望能够传递大功率，通常是在3-30MW之间的功率的用途。根据SE504604的替代设计示出了使用弹性联轴器，并引出一实施例，其能向后拆下轴承单元。这意味着将推进器力传给定子外壳的导向叶片必须具有十分有限的长度。长期来，已经要求减小重量以增加功率密度(对于功率密度，其指最大功率输出除以喷水式推进器单元重量，该重量包括泵单元的、推力轴承和轴颈轴承的、推进器和推进器壳体、转向和换向装置的重量，其中泵单元包括具有导向叶片的定子部件)。对于已知的设计，对于入口直径大于1m的喷水式推进器，难于实现大于1kW/kg的功率密度，而这是不希望和严重的限制。对于本领域技术人员很明显同种设计的功率密度随尺寸的增大而减少。

发明内容
本发明的目的是找出解决一种上述问题的最佳方案。所述目的通过用于推动船只的驱动系统实现，该驱动系统包括一推进器，一定子外壳和一用于构成喷水式推进器的推进器壳体，用于驱动推进器的轴，和在定子外壳内的轴的轴承装置，其中所述轴承装置包括至少一个滑动轴承单元，其承载轴向载荷，滑动轴承优选地是水润滑的。
得益于所述设计，获得一种成本效率解决方案，该方案为重量减少并获得高的功率密度而提供。另外，这种设计可以满足在某些方面的极端条件中对操作安全的大的要求。
根据本发明的其它方面所述轴包括一具有凸缘装置的轴颈，该装置呈现出至少一个与滑动轴承相互作用的轴向表面；该凸缘装置设置有两个相对的表面，这两个表面分别与前和后止推滑动轴承相互作用；存在前和后止推滑动轴承，所述前滑动轴承具有比所述后滑动轴承大得多的表面，其中优选地前轴承的表面是后轴承表面的1.5倍；
所述轴承装置包括一径向滑动轴承，其优选地设置在至少一个止推轴承单元的后部；以及导管系统，用于向所述滑动轴承装置供给润滑剂，其中优选地至少一个所述导管设置在导向叶片中。
根据本发明的另一优选方面，轴由轻量轴构成，其具有显著低于传统钢轴的抗弯刚度。
由于使用轻量轴，其弯曲方面较差，产生了使用相对弯矩为刚性的并承受轴向载荷的轴承装置且同时在推进器和驱动轴端部之间具有非弹性联轴器(如通过螺钉固定)的条件。同时，较弱的驱动轴满足重量减少的目的。另外，由于在这个方面优化选择材料，能节省轴的成本。因此，轴可以做得较细，由于优选地直接固定到推进器上，可以获得最佳条件，以产生尽可能好的流动路径，而这又意味着减小影响推进器轴承装置的弯曲力。
根据这种推进系统的优选实施例，驱动轴至少主要由复合材料组成。首先，复合轴具有可以获得非常轻的重量的大的优点。与传统钢轴相比重量减少到70％。另外，获得复合轴是特别可弯的优点，这对于轴承装置是有利的。低的抗弯刚度也是理想的，复合轴可以相对传统均质钢轴抗弯刚度减少大约80％。
根据另外的潜在的方面所述轻量轴由金属，优选地是钛和/或中空钢轴制成；驱动力由至少一个非弹性联轴器传递到定子外壳；所述推进器壳的入口直径D处于0.5～2m之间，并且功率密度至少是0.5+(2-D)KW/kg。
没有用于从轴向推进器传递功率的弹性联轴器由于本发明，相对传统系统，能够构建明显更轻的用于喷水式推进器驱动的船只的驱动系统，同时该系统提供了高的操作可靠性。


参照附图更详细地说明本发明，其中图1是根据优选实施例的推进器和推进器壳体的垂直轴向横截面图；图2是具有根据本发明的推进器壳体的推进器的替换实施例的垂直轴向横截面图；
图3是基于图2所示的进行一定程度改进的实施例。
具体实施例方式
图1以垂直剖面示出根据本发明的推进器装置。定子外壳1通过螺栓2或类似物牢固安装于船壳的后部。圆锥形前部形式的推进器壳体3通过螺栓4或类似物安装于定子部分1上。推进器壳体3的所述前部的入口(具有一定的直径D)对准向前延伸的管状进水口，其本身是公知的(未示出)。轴颈11在转动和弯曲方面借助第一联轴器11B并经由转动的推进器底部13牢固连接到轴12上。
其尖端向后指向的圆锥形壳体5通过不转动的导向叶片1A牢固固定在定子外壳1内。在所述壳体5内具有一轴承座6，该轴承座通过大致处于壳体中央的螺栓7安装，并且用于将用于轴颈的轴承装置9、16支撑于驱动轴12上。为了使水从壳体5/底部13排出，在相当接近前推进器底部13的中心(此处的压力较低)处布置有一组排水孔13A。
转动推进器13、14经第二牢固固定的联轴器12A(非转动的并具有抗弯刚度的)、适宜的螺纹连接牢固固定到轴颈11周围。这样，所述推进器13、14与轴12一起转动，推进器叶片14被设置在所述底部13上。所述推进器叶片14产生向后指向并由箭头表示的水射流。所述向后指向的水射流经推进器13、14在轴颈11内产生一向前的反冲力，该力经止推滚子轴承9传递到轴承座6、壳体5，并通过牢固连接于船壳上的推进器壳体而传递给定子部1，从而得到一向前的推进力。
轴12是轻量轴，其适当地由复合材料制成，在其端部有一金属(如钢)的固定装置12E。这样轴的芯部12B适当地由碳纤维制成，但是由于轴部分地处于水流中，而水流中可能含有不同的硬的物体，因此，对于这种轴，碳纤维不总是合适的表面材料。这个问题已经通过围绕轴布置玻璃纤维的保护套12C来解决。为了使轴具有良好的抗腐蚀/磨蚀特性，优选地还设置有作为外表面层12D的聚亚氨酯。这种复合材料的轴不但是轻的，并且不具有传统轴的刚性，尤其是它的抗弯刚度相当小，而这对轴承系统提出严峻需求。因此，在轴颈11的后端设置一球面止推轴承9。由于锁环17以这种方式夹紧轴承9和16，将获得刚性轴承，该轴承可以承载在由推进器叶片14产生的轴向推进力通过后止推轴承9时由非刚性轴和水流产生的弯曲力。轴承被适宜地夹紧，使轴承上产生最小载荷，通常指获得最大为0.05mm的轴向游隙，常常是0～0.02mm，由此得到一刚性轴承。对于某种应用，轴承被适宜地偏压，使轴向游隙总是0mm。在附图中，图示了球面止推轴承9，但也能采用其它种类的轴承，如滑动轴承。
围绕轴承9和16的滚柱体的空间一般充有油，通常是经导管(未示出)经导向叶片1A和轴承座6供给。因此，所述空间必须密封相对于轴颈和轴承座周围的水密封。
借助本发明，有可能首先通过用复合轴代替传统推进器轴来相当大地减少重量，由于轴承装置9、16与轴端部的固定连接装置相结合，而可以实现这一点。
由于根据本发明的轴和轴承的布置而另一种有可能减小重量步骤在于在推进器壳体内的入口3也由复合材料制成，其涂覆有聚亚氨酯3A，以获得抗冲击和耐磨蚀表面。
在图2中，概要地图示了本发明的上述原理。然而，其示出了用于轴承单元的优选原理。最大的区别在于没有采用滚柱轴承，而是采用滑动轴承。一方面，采用了细长的径向轴承8，其在轴颈11的后端(和/或在它的前端)，并由牢固安装在壳体5内的径向/轴向支撑6A、6B支撑。另外，示出了两个止推轴承/推力轴承(25、26)，它们仅用于通过设置在轴颈11上的凸缘11C来控制轴向力。图1的后边缘部分11A和图2的凸缘11B都表明了轴向指向的支撑表面11′能够从推进器叶片经轴承单元26向船壳传递反冲力。图2中，止推轴承25、26布置在所述凸缘11C的每一侧上，该止推轴承分别设置在径向支撑6B，6C上。根据这个实施例，直接通过周围的水供应润滑液。
在图3中，图示了与图2所示的一般原理相应的结构的优选实施例。类似于图2所示，这个实施例采用凸缘11C，该凸缘用于将轴向力通过一个止推滑动轴承26传递。用于传递向后指向的轴向力的另一个滑动轴承25形成球面类型滑动轴承的一部分，它也用于传递径向力。如所看到的，向前指向的止推轴承26具有比向后指向的止推轴承25相当大的表面，以便优化承载，这是由于在船只的大部分工作时间中，其用于承受向前的推进力。另外，图中示出了前轴承26的轴承壳体6D借助螺栓6E固定地安装到定子壳体5上。如已叙述的，向后定位的轴承25、8用于通过球状成形而传递轴向和径向力。轴承25、8与短轴11的球状部件11D相互作用。轴承25、8的壳体6′包括圆筒部6′A和凸缘部6′B。凸缘部6′B的主要目的是传递向后指向的力，该力又传递到向后指向的肩台11′，该肩台又与刚性固定于壳体5上的壳体5A的一相对指向的肩台相互作用。同样通过轴承8、25的其它部分的径向力经所述壳体5A传递给定子外壳。图3也示出了密封件35，其是可选择的(与油润滑结构相反)，即它可以省略。
由于根据本发明的图2和3的优选实施例，获得了轴承装置，其提供所需的高功率密度。得益于轴承的布置和功率传递原理，得到了高的功率密度，其意味着在许多方面，即操作经济性和灵活性方面，具有基本的优点。对于本领域技术人员很明显对于相同种类的设计，功率密度随尺寸的增大而减少。因此，对于大的喷水式推进器，实现大的功率密度更困难。已经发现新设计提供了至少是0.5+(2-D)kW/kg功率密度，其中D是推进器壳体的入口直径，处于0.5～2m之间。在D处于0.5～1.3m之间时，功率密度更好，例如，0.7+(2-D)kW/kg。如果结合本发明所有方面，那么对于入口直径D为1m的喷水式推进器，能得到大约2kW/kg的功率密度。同样，对于十分大的喷水式推进器(入口直径D大于2m)，根据本发明的设计提高了功率密度，但是由于喷水式推进器在这个范围内的机会稀少，因此，不存在可比较的在这个范围内的功率密度的相关数字，在这个范围内额定最大设计功率一般远大于15MW。
另外，在图3中，图示了另一种向滑动轴承8，25，26的水润滑单元的供水的方案。示出了第一供给导管30可以穿过至少一个导向叶片1A。所述液体供给的第一部分基本上沿径向行进。在所述导管30的端部，设置一轴向延伸的导管31，该导管向环形通道32供给液体。借助环形通道32，前止推轴承从其外周通过轴承内的适宜的开口26A得以供给液体。以相应的方式，后轴承8、25通过第二基本上径向延伸入其内表面的通道30’并借助一开口8A得以供给液体。将后轴承25、8的壳体6′以可滑动方式布置是有益的，这样，当前轴承26磨损时，允许稍微调整。而且，适当地将凸缘11C的向前指向表面11′布置成稍微弯曲。同样图示了轴11设置有中心孔11E，以用于与连通前轴承26内周的径向通道33连通。优选地由船只所处的水构成的液体在一适宜的压力下泵入(一般在过滤后)并通过导管30。另外，如图1所示，轴颈借助第一螺纹接合件11B牢固固定在转动推进器底部13上，而轴12借助第二螺纹接合件12A牢固固定在推进器底部13上。
本发明不限于上述实施例，而是可以在权利要求书的范围内以不同方式进行改变。例如，在一些应用中，可以想要采用一种组合的滑动轴承和传统轴承，其中必须提供适宜的密封装置。同样可意识到水从壳体5/底部13的内部排出也(或只)可以在非转动壳体5的后部件排出。很明显滑动轴承以及供水通道的定位和形状可以具有变化的形式，这取决于不同情况中的不同需要。而且，可意识到分别具有与碳纤维和玻璃纤维相应特性的其它材料可以用于复合材料轴中，并且根据特定要求，可以采用这些材料的许多不同组合。另外，可意识到可以采用聚亚氨酯之外的其它抗腐蚀涂层，其能适当地满足同一要求。也应该理解为，驱动轴的特性可以适合于以多种方式中给出的条件，首先考虑在推进器和进水口前的不同轴轴承的安装位置，而它既影响轴的固有效率也影响传递给轴承装置的力，其中轴轴承优选地放置在尽可能远离推进器壳体的轴承之上，这是由于径向上的有限的偏差引起较小的角度偏差。可意识到用于一些用途的滑动轴承结构的原理也可以优选地与处于轴和推进器间的弹性联轴器结合使用，然后也与传统轴一起使用。
最后，本领域技术人员可以认识到连接接头不需要拆下。可以构想到轴12和轴颈11为一体。另外，推进器可在轴和/或轴颈上收缩，其它类似的改进落在本领域技术人员的普通知识范围内。另外，有可能通过轴供应润滑液。
权利要求
1.一种船用推进系统，包括推进器(13、14)，定子外壳(1)和用于构成喷水式推进器的推进器壳体(3)，驱动推进器(13)的轴(11、12)和在定子外壳(11)内的轴(11、12)的轴承装置，其特征在于，所述轴承装置包括至少一个滑动轴承单元(25、26)，其意在承载轴向载荷，并且该滑动轴承优选地是水润滑的。
2.如权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述轴(11、12)包括具有凸缘装置(11C)的轴颈(11)，该装置呈现出至少一个与滑动轴承(26)相互作用的轴向表面(11′)。
3.如权利要求2所述的推进系统，其特征在于，该凸缘装置(11C)设置有两个相对的表面(11′、11″)，它们分别与前(26)和后(25)止推滑动轴承相互作用。
4.如权利要求2所述的推进系统，其特征在于，存在前(26)和后(25)止推滑动轴承，而所述前滑动轴承(26)具有比所述后滑动轴承(25)相当大的表面，其中优选地前轴承(26)的表面是后轴承(25)表面的1.5倍。
5.如权利要求2所述的推进系统，其特征在于，所述轴承装置包括径向滑动轴承(8)，其优选地设置于至少一个止推轴承单元(25、26)的后部。
6.如权利要求2所述的推进系统，其特征在于，用于向所述滑动轴承装置供给润滑剂的导管系统(30、31、32、33、34)，其中优选地至少一个所述导管(30)在导向叶片(1A)中设置。
7.如权利要求1所述的推进系统，其特征在于，轴(11、12)由轻量轴构成，其抗弯刚度大大地低于传统钢轴。
8.如权利要求7所述的推进系统，其特征在于，所述轻量轴在主要范围(12)内包括复合材料。
9.如权利要求7所述的推进系统，其特征在于，所述轻量轴由金属，优选地是钛和/或中空钢轴制成。
10.如权利要求1所述的推进系统，其特征在于，驱动力经至少一个非弹性联轴器(11B，12A)传递到定子外壳(1)，由此，优选地不采用弹性联轴器传递力。
11.如权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述推进器壳体(3)的入口直径D在0.5～2m之间，并且功率密度至少是0.5+(2-D)kW/kg。
12.权利要求1所述的推进系统，其特征在于，没有弹性联轴器用于从轴(11、12)向推进器(13)的传递功率。
全文摘要
一种船用推进系统，包括推进器(13，14)，定子外壳(1)和用于构成喷水式推进器的推进器壳体(3)，驱动推进器(13)的轴(11、12)和在定子外壳(11)内的轴(11、12)的轴承装置，以及优选地在推进器壳体(3)内的轴(11，12)的密封件(15)，其中，所述轴承装置包括至少一个滑动轴承单元(25，26)，其承载轴向载荷，滑动轴承优选地是水润滑的。
文档编号F16C33/76GK1433366SQ01810778
公开日2003年7月30日 申请日期2001年6月7日 优先权日2000年6月7日
发明者詹斯·托恩布拉德, 克里斯特尔·黑格尔, 斯文-冈纳·卡尔森, 冈纳·斯蒂拉德 申请人:罗尔斯-罗伊斯股份公司