立式水力噴射推進裝置的製作方法
2023-05-23 08:15:06
專利名稱：立式水力噴射推進裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種立式水力噴射推進裝置，該發明的結構能夠降低轉動一個殼體所需要的旋轉力。
背景技術：
立式水力噴射推進裝置設有與船底平齊的一個進水口和一個排水口。未突出船底的裝置能夠方便地應用於淺水作業的特殊船隻，例如一條浮動的起重船，由於其吃水深度較淺不能保證足夠的螺旋漿浸沒在水中，也不能裝用普通的隧道式推進器。日本未審定公開專利申請號為6-278692，6-286693 7-52882，8-58689等文件披露了這種立式水力噴射推進裝置的已有技術。這種立式水力噴射推進裝置允許外殼主體包括一個可以在任何方向上在360°範圍內旋轉的出水口，因此，可以在任意選定的方向上產生推進力，從而提高船隻的操縱性。
圖6是上述日本未審定公開專利申請號為7-52882的文件所公開的立式水力噴射推進裝置的剖面圖。圖7是從擴散器的一點看去的平面圖。
如圖所示，從殼體52的底部52a的中心部分的進水口53吸入的排出水流，流向推進器51的上遊，與由推進器51的旋轉產生的旋轉水流相匯合。推進器51下遊的擴散器54通過葉片55來改變旋轉水流的方向，並通過葉片55的作用改變旋轉水流的方向，以在葉片的出口處沿徑向流出。由於旋轉水流的存在，如果排出的水流進入殼體52上的壓力室，旋轉能量使得排出的水流與殼體52的表面之間的摩擦損失，結果導致大量的能量損失。至於擴散器54的作用，由於它被設計成水流通路的截面逐步增大，使得水流的動能逐漸轉變成壓力能，從而使推力增大。設置有葉片55的擴散器54是立式水力噴射推進裝置必不可少的一個組成部分。
根據上述的傳統的立式水力噴射推進裝置，擴散器54與殼體一體或被整體安裝在殼體52上。正因為這樣，該裝置的結構設計成殼體52和擴散器54兩者都由操縱電動機56驅動轉動。
如圖7所示，擴散器54的葉片55由於水流的反作用力F，產生沿箭頭方向的旋轉力(旋轉力矩)Y。這個旋轉力大到能夠使殼體52在任何方向上轉動360°，並顯著地影響到操縱電動機的容量的確定。也就是說，如果殼體52通過操縱電動機56進行轉動，而擴散器54的轉動方向為其所受的旋轉力(轉矩)Y的方向，該方向如圖7中的箭頭所示，於是殼體52自轉，操縱電動機56則以較小的功率轉動(反過來說，它需要通過操縱電動機使其停止轉動)。另一方面，如果擴散器54沿相反的方向旋轉，所要求的力要能夠克服下述兩個力之和，一是摩擦阻力和由殼體的全部慣性力所產生的力矩；二是由水流產生的轉動力矩，其遠大於前兩個力。操縱電動機的容量是由功率所決定的。功率消耗是一個很重要的因素，尤其是對由較低發電能力的駁船來說。從初始投資及運營成本考慮，功率消耗越低越好。操縱電動機需要安裝在有限的空間內，因此電機的容量也要求降低到較小值，電機的尺寸也要儘可能小。在前面提到的先有技術中，殼體52裝有一個推進器軸封57，如圖6所示。如果殼體52的旋轉方向與推進器51的轉動方向相反，軸封接觸部分的相對圓周速度等於其轉動速度與推進器轉動速度之和。正因為這樣，對軸封的要求變得十分苛刻，而軸封的使用壽命也相應縮短了。
根據前面提到的日本未審定專利申請公開No.7-52882的文件，在殼體52的底部有三個排水口，靠近進水口一側的中間排水口的端面呈與進水口同心的圓弧狀。每一個排水口的內部沒有安裝本申請將要描述的導向葉片。很明顯上述先有技術中沒有考慮排出的水流在水平方向的有效流動。結果，一部分水流明顯地從殼體52底部的正下方流走。同時，轉動殼體總成需要的扭矩包括克服排出水流的動能的轉動力，這個動能是由殼體總成等的慣性力造成的。如果從置於中間排水口兩側的側排水口流出的流量及方向不平衡，導致轉動力對扭矩產生巨大的影響，這個力的大小成為影響轉動扭矩的決定性因素。為避免發生這樣的轉動力矩，文獻7-52882指出要限定排水口的尺寸和位置。實際上，平衡必須確定，從而在特定方向上很可能產生不希望的轉動力矩。由於轉動力矩的增大，操縱電動機的容量也提高了。在上述情況下，將產生較大的水壓或者說較大的功率消耗。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種立式水力噴射推進裝置，該發明的結構能夠降低轉動一個殼體所需要的旋轉力。
本發明的立式水力噴射推進裝置的一種實施方式中，立式水力噴射推進裝置包括一個殼體，該殼體能夠被一個操縱電動機轉動，通過推進器的旋轉，從殼體的底部向上推動水，使水流通過一個擴散器向一個位於殼體上的壓力室充水並通過殼體底部的一個排水口向外排水，其中一個由船殼側支撐的並有一個插入其中的推進器軸的內環設置在殼體的上部，以通過一個轉旋軸承支撐殼體，並且擴散器被整體地安裝在內環上或與內環形成一體。
在這種情況下，內環構成了一個由船殼側支撐的固定部分，擴散器與殼體分開，形成一個獨立的部件。由改變水流方向而在擴散器上產生的轉動力矩並不作用在殼體上。此外，即使殼體轉動，擴散器也是保持靜止的。因此，殼體自身轉動所要求的電機的功率就降低了。
這樣，如果將與一個齒輪箱相聯，且向下延伸的圓形柱內環的下端安裝在殼體內，而擴散器又整體地安裝在內環的下端，就可以得到一種較為簡單的結構。
進一步，在擴散器或內環的固定部分與旋轉的推進器軸之間可安裝一個推進器的軸封，以便將海水或潤滑室隔開。這樣，便可以避免海水和潤滑油在海水與潤滑室之間的相互進入和滲漏。
此外，如果在擴散器或內環的固定部分與轉動的殼體之間安裝一個轉動密封，隔開海水腔與潤滑室，便可以避免海水和潤滑油在海水與潤滑室之間的相互進入和滲漏。
另外，在擴散器和裝入擴散器內的內環之間的接觸面可以設計成錐面，使得擴散器與內環之間由於水流作用在擴散器上的反作用力的旋轉作用而相互產生推力。這樣形成一個自鎖系統，擴散器可以用較小和較少的螺栓進行固定。
本發明的另外一種立式水力噴射推進裝置包括一個可以在水平面內轉動的殼體；一個設置在殼體底部中央的進水口；一個設置在該進水口上方的推進器；一個與進水口相連通的擴散器；一個與擴散器相連通的壓力室；以及與壓力室相連通並設置在殼體底部的排水口，其中排水口處裝有排水導向葉片，該葉片傾斜了一個角度，以使從排水口噴出的水流的方向儘可能與殼體的底部平行。
結果，實現從排水口噴出的水流不是向正下方而是儘可能沿水平方向，從而可以提高推力產生的效率。
在此情況下，排水導向葉片可設置成傾斜一個角度，使排水口噴出的水流以與進水口相反的方向排出。這樣就可以避免從排水口噴出的水流很快地被吸入進水口，從而提高產生推力的效率。此外，在進水口上可以設置進水導向葉片，該進水導向葉片以一個角度傾斜，使吸入的水流的方向與從排水口噴出的水流的方向相反。這樣，可以避免吸入排水口噴出的水流，從而提高推力產生的效率。
此外，排水口可以這樣地設置，即，一個對稱於通過進水口中心的直徑線的中心排水口和/或對稱地設置在該直徑線兩側的側排水口，以及將中間排水口的進水口一側的端面設置成與直徑線的方向垂直。這樣，側排水導向葉片的傾斜角度便可以進行改變和調節。如此，可以使得左右的推進力的大小不同，產生一個力矩來補償由推進器的旋轉產生的旋轉水流引起的轉動力矩。結果，轉動殼體需要的操縱電動機的功率便可以降低。
再有，如果中間排水口的導向葉片的傾斜角度能夠改變和調節的話，推進器的負荷也就可以調節了。也就是說，如果排水口的面積加大，其負荷就會降低。如果面積減小，負荷就會增大。通過準確調節傾斜角度的方法可以以相對於推進器恆定的轉速方便地匹配調整原動機。
圖1是本發明的水力噴射推進裝置WJ的剖面示意圖；圖2A和2B分別表示一種結構的實例的重要部件的示意圖和透視圖，該結構可以利用擴散器的旋轉力產生的葉片的反作用力來提高擴散器固定在內環上的安裝性；圖3是立式水力噴射推進裝置的剖面簡圖；
圖4是表示立式水力噴射推進裝置殼體底部的視圖；圖5A是帶固定的導向葉片的排水口部分的剖面圖；圖5B是可調式排水導向葉片的簡圖；圖6是傳統的立式水力噴射推進裝置的剖面圖；圖7是在擴散器處所看到的傳統的立式水力噴射推進裝置的平面圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本發明的優選實施例進行描述。
圖1是本發明的水力噴射推進裝置WJ的剖面示意圖。
水力噴射推進裝置WJ安裝在船殼1上。水力噴射推進裝置包括一個平臺4，其上裝有立式齒輪箱3，在立式齒輪箱3的中央部分裝有動力傳送機構2；一個在平臺4的中央部分的下方延伸的內環5；一個垂直地插入內環5中的推進器軸7，軸的下端裝有推進器6；一個位於推進器6的下遊並被固定在內環5上的擴散器8；和一個殼體10，該殼體由內環5及其它部件支撐著，並可由操縱電動機9驅動進行轉動。
平臺4位於船殼1的開口1c上，並安裝在船殼1內的基礎板1a上。一根由原動機伸出的驅動軸11(圖中未表示出)插入並支撐在垂直地布置在平臺4的中央部分的齒輪箱3中。一個傘齒輪2a裝在齒輪箱3的頂部。齒輪2b與傘齒輪2a相嚙合構成動力傳動裝置2。推進器軸7垂直地插入齒輪2b下方的圓柱形內環5內，並由上、下軸承7a支撐。
內環5與齒輪箱3相連並接觸，並以圓柱形態向其下方伸出。與推進器軸7滑動地接觸的一個擴散器8和一個推進器軸封12安裝在法蘭部分5a上，法蘭部分5a由多個螺栓8b固定在內環5的下端。內環5安裝在平臺4上，而平臺4固定在船殼1上，共同組成一個固定的部分。擴散器8固定在內環5上，同樣形成一個不轉動的固定部分。
如上所述，海水腔12a和潤滑室12b被彼此隔開，由於在擴散器8或內環5的固定部分和旋轉的推進器軸7之間安裝的推進器軸軸封12，從而避免了海水腔12a和潤滑室12b之間的海水與潤滑油的相互進入和滲漏。
同時，圓柱形殼體10安裝在船殼的開口部分1C上，並在其中央裝有一個與內環5同心的外環13。外環13通過一個旋轉軸承14由內環5支撐並與之接合。外環13與擴散器8相分離，可以相對於擴散器8獨立地轉動。特別是，固定部分的擴散器8及轉動部件的殼體10僅通過一個轉動密封件15滑動接觸及接合，但彼此之間是分開的或者說彼此獨立的。
同樣地，海水腔12a和潤滑室12b被彼此隔開，由於在擴散器8或內環5的固定部分和殼體10之間安裝的轉動軸封15，從而避免了海水腔12a和潤滑室12b之間的海水與潤滑油的相互進入和滲漏。在殼體10與平臺4之間安裝的密封4a同樣將海水腔12a與潤滑室12b彼此隔開。
在殼體10上的外環13上裝有一個嚙合齒輪13a。嚙合齒輪13a與一個齒輪9b相嚙合，齒輪9b安裝在操縱電動機9的軸9a上，而操縱電動機9安裝在平臺4上，這樣，殼體10可以由該操縱電動機驅動，獨立地進行轉動。
殼體10的中央底部10a設有一個進水口16，殼體10的內壁10b垂直地環繞著推進器6。上述的擴散器8被安置在內壁10b的上端，但二者是分開的。擴散器8中設有一個水流通道，水流由推進器6推出、流動，並由徑向葉片8a導引。按照上面的描述，從推進器6流出的水流變成旋轉的水流後作用在葉片8a上。然而，由於擴散器8固定在船殼上且與殼體10分開，反作用力所產生的旋轉力矩作用到船殼上，並未對殼體10的轉動產生影響。操縱電動機9隻需要很小的力量就足以使殼體10本身轉動。
從擴散器8流出的水流進入與擴散器8相連的殼體10上的壓力室17，壓力室17的水從具有裝在殼體底部10a上的導向葉片18a的排水口18排出，從而產生推動力。通過轉動殼體10，排水口18的位置可以在360°範圍內自由變化。
圖2A和圖2B表示了一種結構的實例，該結構可以利用擴散器的旋轉力產生的葉片的反作用力來提高擴散器固定在內環上的安裝性。
特別是，設計了一個錐面19a，用來由水流作用在擴散器8上的反作用力引起的轉動力Y使在環形件8c和法蘭5a之間的結合面18與錐形面19處推動一個在擴散器8中突出的環形件8c和在內環5下端的法蘭5a，環形面8c安於其上。這樣，便實現了一種自鎖系統，結果只需要很少和很小的連接螺栓來固定擴散器8。
另一種優選實例將結合圖3到圖5來進行描述。
圖3是表示立式水力噴射推進裝置的剖面簡圖，而圖4表示了殼體的底部。立式水力噴射推進裝置WJ安裝在船隻的底部21。推進裝置的圓柱形殼體23被同心地安裝在底部21的圓形開口部分22內。殼體23通過一個平臺24被固定在船隻底部21上。即，一個旋轉軸承40被設置在內環34的上部和殼體23上壁23C內底端的外環39之間滾動。殼體23能夠轉動，並由船體壁作為一個整體來支撐。因此，殼體23是藉助於平臺24被安裝在船殼上的，確保了殼體23的轉動。一個齒輪箱28設置在平臺24的中部，一根輸入軸29橫向插入齒輪箱28並由軸承30支撐。在輸入軸29頂端設有一個傘齒輪31。輸出軸32的上部有一個傘形輪33與傘齒輪31嚙合形成傘齒輪副。輸出軸32垂直向下方延伸穿過內環34上的一個孔直到齒輪箱28的下部。在輸出軸32的下部設有一個突起35，推進器36被安裝在這個突起上。輸出軸32由輸出軸32和內環34之間的軸承32a可轉動地支撐著。
殼體23有一個圓錐形的中心壁23a，其下部分向下凹陷圍住內環34的外緣。中心壁23a的下端一直延伸到突起35的上端。殼體33底部23e的中心部分從中心部分和推進器36的頂端之間形成狹窄的間隙出向上向外翹起，形成一個內壁23b。內壁23b向上張開，從與錐形中心壁23a的底部相同的位置並與之保持確定的距離而延伸出去，形成擴散器37。在擴散器37上，即在中心壁23a和內壁23b的上部之間沿徑向設有一個流動片38。
裝在平臺24上的操縱電動機41的軸的下端的小齒輪41a與外環39相嚙合。如果操縱電動機41驅動小齒輪41a使之按預定的方向轉動，那麼和與小齒輪41a接合的外環39連為一體的殼體23，繞輸出軸32的中心進行旋轉。因此，後面將要進行描述的排水口42的位置就可以在360°範圍內自由變化。此外，一個環形的突起25設置在圓柱形殼體23內的上壁23c上。從平臺24向下突出的導向環26通過一個密封件27與突起25的外圓周同心地接合。
在推進器36下方被內壁23b包圍的一個圓形的開口部分形成進水口43。進水口43相對擴散器37順序設置，並與設在殼體23的外壁23d和內壁23b之間的壓力室44相通。排水口42(在圖3中，是一個中間排水口45，將在下面進行描述)被設置在底部的壁上，這樣，從壓力室44噴出的水流從排水口42排出。在排水口42上設有多個弧形的排水口導向葉片42a，這些葉片都具有一個傾斜角度，使得排出的水流儘可能地沿水平方向噴出或者是儘可能沿與殼體23的底部23e平行的方向噴出。這是因為沿水平方向噴出的水流越多，產生的推力就越有效。由於進水口43和排水口42都被設置在殼體23的底部23e上，進水口43上的多個的吸入導向葉片43a都有一個與排水口導向葉片42a相反的傾斜角度，這樣從排水口42排出的水流不會被進水口43很快吸入。根據上述對立式水力噴射推進裝置WJ的結構的描述，水流是從進水口43處通過旋轉的推進器36吸入的，如圖3中箭頭所示，在推進器中水的壓力增大，並且水從擴散器被排入壓力室44內。在壓力室44中的水的壓力能被轉化成動能，水從排水口42噴出，從而產生所期望的推力。
如圖4所示，排水口42包括一個中間排水口45和圍繞在其周圍的側排水口46。中間排水口45被設計成長方形，其在進水口43的切線方向上的尺寸大於圓形進水口43直徑。優選中間排水口45的相對進水口43的側端面45a設計成與通過圓形進水口43的中心的直徑線O相垂直。這樣做的理由是水流得到充分的利用，形成推力，而避免部分水流流向正下方造成損失。端面可以如圖示的假想線45B那樣設置成與進水口43同心，這樣利用水流作推力的效率不會降低太多。側排水口46具有同樣的尺寸且相對直徑線O對稱。不僅在中間排水口45處設有排水導向葉片42a，側排水口46也同樣需要。圖5示出了導向葉片42a的剖面圖。安裝在側排水口46上的導向葉片42a傾斜了一個與進水口導向葉片43a的角度相反的角度，以避免從排水口42流出的水流很快地被進水口43吸進。
如圖5B所示，安裝在中間排水口45和側排水口46上的排水導向葉片應向可變導向葉片42b那樣傾斜成可以變換的角度。也就是說，每一個可變導向葉片的中心都被可旋轉地支撐著，從驅動缸47上的連杆48延伸出的一根工作杆49分別與導向葉片42b的上端通過連接材料50相連接。可變的導向葉片42b可以通過操縱驅動缸47來伸或縮杆48以調節需要的傾斜角度。
如果中間排水口45的導向葉片是傾斜可變的，當輸入軸連接的原動機以一定轉速正常轉動時，就可以用來調整排水口與推進器相匹配。如果側排水口46的導向葉片是傾斜可變的，就可以用來改變左右排水口之間排出的水流速率的平衡，從而改變流動力以補償轉動力矩的不平衡。這使得降低操縱電動機的功率成為可能。
權利要求
1.一種立式水力噴射推進裝置，包括一個可以在水平面內轉動的殼體；一個設置在殼體底部中央的進水口；一個設置在該進水口上方的推進器；一個與進水口相連通的擴散器；一個與擴散器相連通的壓力室；以及與壓力室相連通並設置在殼體底部的排水口，其特徵在於，排水口處裝有排水導向葉片，該葉片傾斜了一個角度，以使從排水口噴出的水流的方向儘可能與殼體的底部平行。
2.根據權利要求1所述的立式水力噴射推進裝置，其特徵在於，排水導向葉片以一個角度傾斜安裝，使排水口噴出的水流沿與進水方向相反的方向排出殼體之外。
3.根據權利要求1和2中任一項所述的立式水力噴射推進裝置，其特徵在於，在進水口處設有吸水導向葉片，所述吸水導向葉片傾斜一個角度，與排水導向葉片方向相反，使吸入的水流的方向離開從排水口噴出的水流。
4.根據權利要求1到2中任一項所述的立式水力噴射推進裝置，其特徵在於，將排水口設置成一個對稱於通過進水口的直徑線的中心排水口和/或對稱地設置在直徑線兩側的側排水口；以及將中間排水口的進水口一側的端面設置成與直徑線的方向垂直。
5.根據權利要求4所述的立式水力噴射推進裝置，其特徵在於，側排水口的排水導向葉片的傾斜角度可以改變和進行調整。
6.根據權利要求5所述的立式水力噴射推進裝置，其特徵在於，中間排水口的排水導向葉片的傾斜角度可以改變和進行調整。
全文摘要
本發明的立式水力噴射推進裝置包括一個可以轉動的殼體，通過推進器的旋轉從殼體的底部吸入流動的水流並向上推，使水流通過一個擴散器充入殼體上的壓力室，從設在殼體底部的排水口將水排出，由船殼支撐並有一根推進器軸插入其中的內環設在殼體的上部並通過旋轉軸承支撐殼體，擴散器整體地安裝在內環上。
文檔編號B63H11/04GK1421354SQ02127738
公開日2003年6月4日 申請日期2002年8月7日 優先權日1998年2月10日
發明者日野滿伸 申請人:川崎重工業株式會社