船舶推進器的製作方法
2023-05-19 06:09:21
專利名稱：船舶推進器的製作方法
其它申請的相互參考本申請是對申請人早期申請的部分繼續申請，早期申請包括1990年2月28日提交的現已放棄的序列號為486，305的申請，1990年10月26日提交的現已放棄的序列號為604，741的申請，1992年3月9日提交的現已放棄的序列號為848，252的申請，1992年7月30日提交的現已放棄的序列號為922，574的申請，1993年9月8日提交的現已放棄的序列號為118，029的申請，1994年9月21日提交的序列號為309，758的申請，現已於1996年4月9日授權的美國專利5，505，639號。
把噴水推進器用於任何氣墊船，如表面效應船(SES)或申請人的SEACOASTER氣墊船設計，有許多困難。這是因為氣墊船下面的空氣層被吸入噴水推進器的入口，使噴水推進器的性能嚴重下降。這種低效的原因是標準的噴水推進器是一個高壓水系統，其施加壓力的噴口位於轉子或葉輪下方。只要少量的空氣被帶入或混入水中，在一些試驗中記錄的門限值為百分之五或更少，就可以使葉輪的效率受到嚴重損失。當平體船行駛在洶湧的海面時，噴水推進器的空氣吸入問題，也會很明顯，此時噴水式推進器的入口可能會被切削。
PrattWhitney Aircraft在1967-1969年對3，200馬力噴水式推進器進行的測試，證實了空氣吸入問題存在且很嚴重，但並沒有簡易的解決方案。在Avondale Industries，New Orleans，對本申請人的兩項噴水式推進氣墊遊船設計，即350名乘客38節109英尺氣墊船，的試驗表明，當空氣被吸入2，000馬力的雙體KaMeWa噴水式推進器時，其性能嚴重降低。對其中一艘船上的入口進行改進後，將其降至流線型氣翼型的船體下方約20英寸。這樣減小了但未消除空氣吸入問題，而且付出了速度明顯下降的代價。總而言之，現有的標準商用噴水式推進器，由於低速到中速的旋轉真空，以及在條件惡劣的海面高速運行時的入口空氣吸入產生的轉子過速問題，使其性能嚴重受限制。而且，它們在低速到中速的性能，普遍認為不佳。申請人把低速定為0到7節，中速定為7到20節，高速定為20節以上；但在本申請中，高速定義為任一種船舶的速度為15節或15節以上。
申請人的新式船舶推進器，被稱為水氣雙驅動式(Hydro-Air Drive)或HAD，有一轉子，在它的優化運行狀態下，由轉子的下半部接受水流而工作。在其優選方案中，該轉子具有一洩流開口，但在其轉子的下方沒有流限制壓力產生噴口。它避免了旋轉真空，並且不受影響標準噴水式推進器的空氣或氣體吸入問題的影響。也可以消除到申請人的轉子，在低速到中速的氣流，從而使優選方案中的物流加倍。在低速到中速時，與具有相對小的控制流洩流噴口的標準噴水式推進器可能產生的推力相比，這會產生了更大的推力。關於水氣雙驅動(Hydro-Air Drive)的更詳細論述，請參見申請人的美國專利5，505，639。
直徑22英寸的水氣雙驅動(Hydro-Air Drive)已經製造出來，並在一艘40英尺長V型殼的船上進行海中試驗。它由一臺400馬力的Caterpillar柴油發動機驅動。在Ft.Lauderdale，Florida進行的最初測試，顯示出它在中速時的推力值，優於商用高速噴水式推進器。在速度為30節以上時，它表現的性能也優於商用噴水式推進器。即使在條件惡劣的海中高速行駛時，也沒有螺旋旋轉真空損傷的現象，沒有由於入口通風產生的明顯的運行困難。對入口和轉子設計的進一步改進正在進行，因此在撰寫本文時，還沒有最終的性能結果。
第一次測試時，採用流導向結構基本上阻止了轉子前進。這產生了水花噴濺層，這是由於入口的邊緣接近水面，影響到軸中心線上的轉子。然後安裝了板狀的水流導向結構，其終止於轉子的水平中心線附近，並在轉子之前約為轉子直徑的四分之一處。成果顯著，結果速度增加了約7節。基於這些結果，申請人注意到，在入口流體導向結構的末端和轉子葉片之間有一確定的距離。雖然還需進行進一步的測試，但申請人確定這個距離最好不超過一個半轉子直徑，不小於半個轉子直徑。
申請人還注意到轉子上部的氣流產生好的作用，並且周圍的空氣和/或發動機排氣或其它氣體提供裝置提供的氣體可用作上述氣流。但是，也可以使入口水流導向結構終止於上方，並且非常接近轉子，因而沒有氣流提供到轉子的上部。在這種情況下，轉子葉片的前上部基本上工作在部分真空中。
在申請人的美國專利5，505，639中，提出了使用入口閥門裝置來引導液體/氣體流向轉子；但是，本發明對此概念進行了改進。指出增加一個直的部分作為已有的通常圓弧形閥門機構的尾部，提高了液體流入轉子的精確性。還需指出這樣一個流導向結構可以僅用於引導入口水流，不需要提供氣流到轉子的上部。在此情況下，當船舶高速行駛時，轉子葉片的上部將工作在局部真空中。
在此提出了，一個新的簡單的用於船舶推進器的駕駛和反向機構，如噴水式推進器和只需要最小驅動力的本發明。該系統使用位於轉子洩流下面的一個反嚮導向葉片裝置或噴口，其連到一方向舵並與方向舵的轉速相同。直到一個阻流洩放裝置或反向鬥降低到導向和反向噴口尾部，才產生反向作用。這與德國專利2217171本質不同，該德國專利提出獨立並分離於一組360度可旋轉導向窗的一個方向舵。在該德國專利中，通過轉動該方向舵使其與洩放流成90度，來達到阻流的目的，這樣阻擋洩放流使其不向後，並重引導洩放流到可旋轉導向窗。方向舵和360度可旋轉導向窗都是獨立驅動的，這與本發明的本質上簡單的由一個公共驅動器驅動的單一部件不同。因為本發明的方向舵，根據工作要求，不需要旋轉到與流成90度，因此不需要所參考的德國專利那樣高的驅動力。由於上述的明顯不同，本發明的駕駛和反向機構與德國專利2217171基本不同。而且，本發明提供了一個可選用的水流偏轉機構，一般為一類似擋板形狀的裝置，可以安裝在反嚮導向葉片裝置的下邊。在向前行駛時，這個水流偏轉機構使水流不衝擊導向葉片，在反向操作時，它簡單地被反向洩放水流推到旁邊。
本發明的進一步目的，是提供用於導向液體流到所述轉子葉片下部的裝置。
本發明的一個相關目的，是提供氣流到所述轉子葉片上部。
本發明的另一個目的，是在低速和/或中速運行時，能夠關閉衝向轉子葉片的氣流，因此增加運行過程中水的流量。
本發明的一個直接相關目的，是提供至少部分為曲線型的一個閥門，用於控制到轉子葉片的水流量。
本發明的另一個目的，是提供給轉子的水流由結構導向，該結構可以是固定的或活動的，並且這樣的結構，可以精確地把水流導向所述轉子，以至於不需要氣流到達將工作在局部真空中的轉子葉片的上部。
本發明的進一步目的，是一個定子葉片或多個葉片可以位於轉子葉片的下方，由此校直來自轉子葉片的洩放流。
本發明的另一個目的，是定子葉片可以用於方向舵的前面並與其成直線，由此減少所述方向舵的水的動態阻力。
本發明的另一個目的，是提供用於船舶推進系統的一個駕駛和反向機構，其中方向舵和反嚮導向葉片或噴口被共同驅動。
本發明的直接相關目的，是所述方向舵和反嚮導向葉片具有一公共旋轉軸。
本發明的另一個目的，是所述方向舵在其尾端可以被截短，由此改善被截短的末端處的通氣，以減小舵的阻力。
本發明的另一個目的，是提供一反向門，該反向門用於阻擋來自出口尾部的液體流，由此再把所述液體流導向到所述反嚮導向葉片。
本發明的另一個目的，是在反向時能夠關閉衝向轉子葉片的氣流。
本發明的另一個目的，是提供一個活動的、與船舶推進器相關的水流偏轉裝置，用於防止前進時水流衝擊反嚮導向葉片。
本發明的另一個直接相關的目的，是所述水流偏轉裝置能夠被反向水流產生的力旋轉或移到反向水流通路之外。
圖2是圖3中通過線2-2的相似的中心線剖視圖，展示了反向工作的改進的船舶推進器。其中液體流動導向裝置被關閉以禁止氣體流向轉子，並且一個反向流阻擋機構被旋轉向下以阻止向出口尾部的流動，然後再將流嚮導向到一組反嚮導向葉片。
圖3是
圖1中通過線3-3的俯視中心線剖視圖，其中展示了推進船舶高速前進的改進的船舶推進器。
圖4是圖3中通過線4-4的局部剖視圖，展示了一個液體流導向閥門，該閥門以控制的流量引導液體流向轉子的葉片。液體流導向閥門的旋轉，允許增加或減小流到轉子葉片的液體流量。其中通到轉子葉片上部的氣體流，也通過液體流導向閥門。
圖5是圖3中通過線5-5的局部剖視圖，其中液體流導向閥門關閉，因此基本上阻止了來自轉子葉片的氣流。在反向時使用這種狀態，並且，大部分情況下，船低速運行時希望轉子內流體充分，以獲得最大的推力。
圖6是液體流導向閥門的立體圖。其中曲線型閥門組件部分被製成兩部分，並通過軸相連。這樣做的原因是它們跨在驅動軸的兩端。
圖7是通過圖2中的線7-7的局部剖俯視圖，其中展示了反向阻流裝置下降以阻擋向後流，由此把流體導向反向流導向葉片或噴口。在這種情況下，反嚮導向葉片定位用於反向到轉向右舷狀態。其中方向舵被定位，並且與反嚮導向葉片裝置一起旋轉，如圖中所示。
圖8是方向舵和反嚮導向葉片裝置的立體圖，展示為具有共同驅動軸的共同體組件。
圖9是圖1和4中通過剖線9-9的剖視圖，其中展示了轉子前面的優選的矩形外殼形狀。在此位置，矩形外殼形狀為優選方案，因為它允許對液體流導向閥門的做更加開放設計。詳細描述圖1展示了圖3中通過線1-1的中心線剖視圖，其中展示了安裝在一船舶30中的本發明的改進的船舶推進器31。在此例中，船舶推進器31靠在橫梁42上。驅動發動機32為驅動軸33提供旋轉動力，由驅動軸傳到轉子46、轉子葉片52以及可選用的轉子葉片罩或環47。其中轉子葉片環47連接在轉子46外圍附近並且隱藏於外殼凹槽53中，以減小水中阻力。外殼54或與相同的動力源的相機械連接的結構至少圍繞轉子46外圍結構的360度的主要部分。由於本發明的優選方案中，轉子46有大約一半在水流中，一半在水流外，當轉子葉片52每次旋轉進入水中時，在轉子葉片52上會有強烈的衝擊應力。可選用的轉子環47，極大地增加了轉子46和轉子葉片52的固有的結構完整性。所示的一般使用的與轉子46驅動系統相關的其它組件，包括推力軸承35，軸封33和水潤滑的橡膠軸承34。
在圖1中，水流通過可選用的入口格柵條43流入，並被入口流動導向裝置48導向到轉子46的大約中部或向上的部分，所述格柵條一般為氣翼(airfoil)外形以使阻力最小。其中入口流動導向裝置可以是一個閥門和/或一個固定結構。氣體如周圍的空氣、發動機排氣或類似氣體，被提供到轉子葉片52的上部，如本發明的優選方案圖中氣體流箭頭38所示。也可以使用一個可選用的定子葉片50，用於校正轉子洩放流。
對於全速前進狀態，所示的駕駛和反向系統的部件，包括一方向舵45、反嚮導向葉片或噴口44，和反向門49。在此例中，反向門是撐起的或打開的，以允許滿負荷的液體流和氣體流來獲得最大向前推力。在根據本發明的這個優選方案中，舵45和反嚮導向葉片是一個一體的組件，由一個公共驅動裝置驅動，並具有一個公共的旋轉軸55。圖中還示出了水流偏轉裝置或偏轉擋板51以及水線39。
圖2是圖3中通過線2-2的相同的中心線剖視圖，與圖1所示類似但為反向狀態。在此例中，液體流控制或導向閥48關閉，以允許液體流到轉子葉片52的上部，因為，在優選方案中，液體流過曲線形狀的液體流導向閥48。轉子葉片52的液體洩放流，由反向門49再導向到反嚮導向葉片44，結果產生反向推進狀態。在此例中，其中可選用的水偏轉片51被水洩放流所產生的力旋轉向前。
圖3是圖1中通過線3-3的剖視圖，展示了當工作在在全速向前狀態時，改進的船舶推進器31的俯視圖或平面圖。在此例中，方向舵45具有斬斷或截短的尾部，以便通氣來減小阻力。
圖4是圖3中通過線4-4的局部剖視圖，其中展示了該優選方案中液體流導向閥48的細節。其中該閥前部為曲線型，後部較平。這樣在氣流(如氣流箭頭38所示)和液體流(如液體流箭頭37所示)之間有助於形成水線39到轉子葉片52。
圖5是圖3中通過線5-5的局部剖視圖，與圖4相似，但是其中液體流導向閥關閉，以限制通向轉子葉片52的氣體流。這是反向時的狀態，也是船舶運行在低速和中速時的優選工作狀態。在這些速度下，關閉或部分關閉這個液體流導向閥48的原因是，導向轉子葉片52的液體流基本上被加倍，因此在低速時產生最大推力。有很重要的一點值得注意，即液體流導向閥48可以工作在不限數量的多個位置，因此可以控制導向轉子葉片52的流量。另外，值得注意的還有，儘管不在本發明的優選方案中，但是流導向閥48可以如圖所示工作，但沒有導向轉子葉片52的氣流。在這種狀態下，液體流導向閥48的末端非常接近轉子葉片，入口水流仍然被導向到轉子葉片52的下部，並且在它們的上部仍然存在局部真空。這不是本發明最佳的或最有效的工作方式，但是為可能的工作方式。
圖6是液體流導向閥48及其可選擇的控制杆56的立體投影圖。閥門被製成兩部分的原因是它們跨在驅動軸的兩端。
圖7是通過圖2中的線7-7的局部剖視圖，其中展示了轉向反向時，反向門49向下阻擋反向流的操作。注意在圖中定子葉片50的彎曲的流導向形狀。
圖8是方向舵和反向機構的立體投影圖。注意在此不同的具有共同驅動軸55的全部一體組件。
圖9是圖1和4中通過剖線9-9的剖視圖，其中展示了在液體流導向閥48的通路中，優選的矩形流通路和殼體54形狀。這個部分矩形的形狀，與在此使用圓形形狀相比，允許更大的氣流通路和最大的水流導向結構寬度。圖中所示的結構為全速前進時。
儘管以上結合優選方案以及幾個可選用的方案，對本發明進行了說明，但應理解為並不是要對本發明進行限制。相反，本發明應函括所有按所附權利要求所限定的本發明的範圍和精神之內的所有可替代方案、改進以及等效方案，該權利要求是本發明的唯一限定。
權利要求
1.一種用於推進具有改進的船舶推進器的船舶的改進的船舶推進器，包括一個具有轉動葉片的轉子，當所述轉子旋轉並推進所述船舶時，一液體流流向所述轉子葉片，並且當所述轉子旋轉時，所述轉子葉片能夠加速流體，因此提供一個推進的推力，所述改進包括包圍所述轉子葉片外圍下部的結構，該結構至少包圍所述轉子旋轉的180度的大部分；和液體流動導向裝置，至少其大部分，終止於所述轉子葉片的上方少於一個半轉子直徑的距離內，其中所述液體流，至少大部分被導向到轉子的下部，這樣轉子葉片主要是在所述轉子旋轉180度的至少大部分接受流體。
2.如權利要求1中所述的改進的船舶推進器，其中所述的液體流動導向裝置，至少其大部分，終止於所述轉子葉片的上方少於一個轉子直徑距離內。
3.如權利要求1中所述的改進的船舶推進器，其中所述的液體流動導向裝置，至少其大部分，終止於所述轉子葉片的上方少於半個轉子直徑距離內。
4.如權利要求1中所述的改進的船舶推進器，進一步包括一氣體流，當所述改進的船舶推進器高速推進船舶時，所述氣體流被導向到至少到所述轉子旋轉的180度的一部分。
5.如權利要求1中所述的改進的船舶推進器，其中所述液體流動導向裝置是可調節的，這樣可以把不同流量的液體流導向所述轉子葉片。
6.如權利要求4中所述的改進的船舶推進器，其中所述液體流動導向裝置可以調整到一位置，此時所述裝置基本上關閉所有流向所述轉子葉片的氣流。
7.如權利要求5中所述的改進的船舶推進器，其中所述液體流動導向裝置至少在其運行的一部分時間內，至少一部分與液體流接觸的所述液體流動導向裝置為曲線型。
8.如權利要求1中所述的改進的船舶推進器，進一步包括一駕駛和反向機構，所述駕駛和反向機構具有一方向舵，所述舵一般由一反向流動導向裝置驅動，並且所述機構還包括一反向阻流裝置，至少其大部分安置於所述方向舵的尾部。
9.如權利要求8中所述的改進的船舶推進器，其中進一步包括一導流片，至少部分安裝在反向流動導向裝置的下方，並且當反向時，所述導流片的運動，至少部分是由反向流提供的力產生的。
10.如權利要求1中所述的改進的船舶推進器，其中進一步包括一轉子環，所述轉子環，至少在轉子旋轉的部分時間內，是插在一個殼體的凹槽內的。
11.如權利要求1中所述的改進的船舶推進器，其中在所述船舶推進器的垂直截面中看，位於所述液體流動導向裝置和葉片的上方附近的一個外殼的內部，至少部分形狀為矩形。
12.一種用於推進具有改進的船舶推進器的船舶的改進的船舶推進器中，包括具有轉子葉片的一個轉子，當所述轉子旋轉且推進所述船舶時，一液體流流向所述轉子葉片，並且當所述轉子旋轉時，所述轉子葉片能夠加速流體，因此提供一個推進的推力，所述改進包括包圍所述轉子葉片外圍下部的結構，該結構至少包圍所述轉子旋轉的180度的大部分；和液體流動導向裝置，至少其大部分，安裝在所述轉子葉片的上方，並且一氣體流向所述轉子葉片的上部，其中所述液體流動導向裝置能夠改變流向所述轉子葉片的液體流量，並且其中所述液體流動導向裝置能夠基本上阻擋流向所述轉子葉片的上部的所有氣體流。
13.如權利要求12中所述的改進的船舶推進器，其中所述液體流動導向裝置，至少其大部分，終止於所述轉子葉片的上方少於一個轉子直徑的距離內。
14.如權利要求12中所述的改進的船舶推進器，其中所述液體流動導向裝置，至少其大部分，終止於所述轉子葉片的上方少於半個轉子直徑的距離內。
15.如權利要求12中所述的改進的船舶推進器，其中至少與液體接觸的液體流導向結構的一部分是曲線型。
16.如權利要求12中所述的改進的船舶推進器，其中進一步包括一駕駛和反向機構，其中所述駕駛和反向機構具有一般由一反向流動導向裝置驅動的一方向舵，並且所述推進器還包括一反向阻流裝置，至少其大部分在所述方向舵的尾部。
17.如權利要求16中所述的改進的船舶推進器，其中進一步包括一導流片，至少部分在反向流動導向裝置的下邊，並且當反向時，所述導流片的運動，至少部分是由反向流提供的力產生的。
18.如權利要求12中所述的改進的船舶推進器，其中進一步包括一轉子環，所述轉子環，至少在轉子旋轉的部分時間內，是插在一個殼體的凹槽內的。
19.如權利要求12中所述的改進的船舶推進器，其中在所述船舶推進器的垂直剖面中看，位於所述液體流動導向裝置和葉片的上方附近的一個外殼的內部，至少部分形狀為矩形。
20.一種用於推進具有改進的船舶推進器的船舶的改進的船舶推進器，包括一個具有轉動葉片的轉子，當所述轉子旋轉且所述的船舶推進器推進所述船舶時，一液體流流向所述轉子葉片，並且當所述轉子旋轉時，所述轉子葉片能夠加速流體，因此提供一個推進的推力，所述改進包括一駕駛和反向機構，所述駕駛和反向機構具有一方向舵，所述方向舵一般由一反向流動導向裝置驅動，並與所述反向流動導向裝置基本上具有一個公共旋轉軸，所述駕駛和反向機構還包括一反向阻流裝置，至少其大部分在所述方向舵的尾部。
21.如權利要求20中所述的改進的船舶推進器，其中所述反向流動導向裝置至少部分為圓形。
22.如權利要求21中所述的改進的船舶推進器，其中所述反向流動導向裝置包括一流導向葉片。
23.如權利要求21中所述的改進的船舶推進器，其中所述反向流動導向裝置包括一噴口。
24.如權利要求20中所述的改進的船舶推進器，其中所述的舵在尾部被截短。
25.如權利要求20中所述的改進的船舶推進器，進一步包括一定子葉片，至少所述葉片的大部分位於方向舵的前端部分的前面，並與其在一條線上。
26.如權利要求20中所述的改進的船舶推進器，其中進一步包括一導流片，至少部分在所述反向流動導向裝置的下邊，並且當反向時，所述導流片的運動，至少部分是由反向流提供的力產生的。
全文摘要
本發明涉及一種船舶推進器,其具有一個轉子(46),至少該轉子(46)的主要部分被圍在結構(54)中,其中所述的轉子,接收水至少越過其大部分下部,並且接收氣體至少越過其一部分上部。可以通過一個閥門(48)消除氣體流,該閥門也導向轉子葉片(52),並且最好具有一個曲線型的水接觸面,這樣水將粘附在並流過該表面。可以用一個轉子環(47)增加轉子的強度,可將該轉子環插入接近殼體的一個凹槽(53)內,以減小轉子環的阻力。本發明還提出了一種用於船舶推進器的駕駛和反向系統。該系統包括一個方向舵(45),與反嚮導向葉片(44)機械連接,這樣當倒退時方向舵的運動共同產生洩放流的運動。選擇性地提供一個水偏轉擋板(51),當高速運行時,用於偏轉水流,使水流不衝擊反嚮導向葉片或噴嘴。
文檔編號B63H11/01GK1284921SQ98813676
公開日2001年2月21日 申請日期1998年2月18日 優先權日1996年4月8日
發明者D·E·伯格 申請人:D·E·伯格, P·R·伯格