DE69226963T2 - BLAST DRIVE DEVICE FOR SHIPS WITH A SCREW IN A TUNNEL - Google Patents
BLAST DRIVE DEVICE FOR SHIPS WITH A SCREW IN A TUNNELInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Düsenantriebsgerät für ein Schiff mit Schiffsschraube in einem Tunnel und genauer ausgedrückt, auf eine Flügelradanordnung und einen Tunnelaufbau für eine Düsenantriebseinheit für ein Schiff mit Schiffsschraube in einem Tunnel gerichtet.The present invention is directed to a jet propulsion device for a propeller-driven vessel in a tunnel and, more particularly, to an impeller assembly and a tunnel structure for a jet propulsion unit for a propeller-driven vessel in a tunnel.
Die Verwendung von Düsenantriebsvorrichtungen für Seeschiffe ist eine gut bekannte Technologie. Düsenantrieb hat viele Vorteile gegenüber der einfachen Schiffsschraube insbesondere hinsichtlich Manövrierbarkeit, und der Energieverbrauch eines Düsenantriebs ist wesentlich effizienter. Dennoch ist aufgrund bestimmter, mit Düsenantrieb von Schiffen verknüpfter allgemeiner Probleme noch keine weitverbreitete Anerkennung von Düsenantrieb für Seeschiffe erfolgt. Zum Beispiel wirft Düsenantrieb für Schiffe bedeutende Ausführungsprobleme aufgrund der ungewissen Leistung über einen breiten Bereich von Geschwindigkeiten, Wassertiefe, Seebedingungen usw. auf.The use of jet propulsion devices for marine vessels is a well-known technology. Jet propulsion has many advantages over the simple propeller, particularly in terms of maneuverability, and the energy consumption of a jet propulsion is much more efficient. However, widespread acceptance of jet propulsion for marine vessels has not yet occurred due to certain general problems associated with jet propulsion of ships. For example, jet propulsion for ships poses significant implementation problems due to uncertain performance over a wide range of speeds, water depth, sea conditions, etc.
Überschüssige Wasseraufnahme am Einlaß der Düsenantriebseinheit kann Zusammenballung verursachen, d. h. überschüssigen Wasserdruck zwischen dem Schiffskörper und dem Einlaß, weil die Einheit nicht in der Lage ist, ein ausreichendes Volumen von Wasser während Schiffsmanövern oder schlechten Seebedingungen aufzunehmen. Zusammenballung erzeugt eine hohe Widerstandscharakteristik, die die Antriebsleistung nachteilig beeinflußt.Excess water intake at the inlet of the jet propulsion unit can cause agglomeration, i.e. excess water pressure between the hull and the inlet due to the unit being unable to take in a sufficient volume of water during ship maneuvers or poor sea conditions. Agglomeration creates a high drag characteristic that adversely affects propulsion performance.
Kavitation ist ein weiteres allgemeines Problem. Kavitation bedeutet eine ungleichmäßige Belastung des Flügelrades. Kavitation kann durch übermäßige radiale Beschleunigung des Fluids, übermäßige Verwirbelung oder Turbulenz der Fluidsäule und unbeabsichtigte Teilverdampfung des Fluiddurchsatzes, die mit einem durch Flügelradtätigkeit erzeugten Vakuum verknüpft ist, erzeugt werden.Cavitation is another common problem. Cavitation means uneven loading of the impeller. Cavitation can be caused by excessive radial acceleration of the fluid, excessive swirling or turbulence of the fluid column, and unintentional partial vaporization of the fluid flow associated with a vacuum created by impeller action.
Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine Düsenantriebseinheit für Seeschiffe zu entwerfen, in der alle Merkmale synergistisch zusammen arbeiten, um eine konstante Wassersäule sogar bei hoher Abgabe zu gewährleisten, und in der der Wasserdurchsatz weder turbulent noch verwirbelt ist, um Kavitationseffekte zu beseitigen. Weiter sollte die Einheit eine maximale Flexibilität aufweisen, um den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Seeschiffs und variierende Belastungen auf der Einheit zu bewältigen, ohne die oben genannten Zusammenballungs- und Kavitationseffekte zu erzeugen.Accordingly, it would be desirable to design a jet propulsion unit for marine vessels in which all features work synergistically to ensure a constant water column even at high discharge and in which the water flow is neither turbulent nor swirling to eliminate cavitation effects. Furthermore, the unit should have maximum flexibility to handle the full speed range of the marine vessel and varying loads on the unit without creating the agglomeration and cavitation effects mentioned above.
Schließlich sollte die Einheit wirksam beim Verhindern des Einlasses von Fremdmaterialien sein, sie sollte also dafür ein schnelles Mittel zum manuellen Reinigen des Einlasses aufweisen, wenn eine Verschmutzung auftritt.Finally, the unit should be effective in preventing the inlet of foreign materials, so it should have a quick means of manually cleaning the inlet if contamination occurs.
US-Patent-4,449,944, erteilt an Baker et al. offenbart eine variable Einlaßvorrichtung für einen Hydrodüsenbootsantrieb, die einen effizienten Übergang vom Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit zu Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Bootes zuläßt. Installiert im "Schlitz" eines Schiffskörpers mit "V"-förmigem Boden, weist der Antrieb eine aerodynamisch günstige Stauhutze mit einer Einblasetür oder -platte auf, die auf das Ungleichgewicht zwischen internem Strömungsdruck und externem Schraubenstromdruck reagiert.US Patent 4,449,944, issued to Baker et al., discloses a variable inlet device for a hydrojet boat propulsion system that allows efficient transition from low speed operation to high speed operation of the boat. Installed in the "slot" of a "V" bottomed hull, The drive has an aerodynamically favourable air intake scoop with an injection door or plate that reacts to the imbalance between internal flow pressure and external screw flow pressure.
Das US-Patent 3,543,713, erteilt an Slade, offenbart eine Antriebseinheit für ein Seeschiff, die durch Ablassen von Wasser aus einer Pumpe durch eine Öffnung arbeitet. Die Öffnung kann der gewünschten Antriebsrichtung entsprechend ausgerichtet sein.US Patent 3,543,713 issued to Slade discloses a propulsion unit for a marine vessel which operates by discharging water from a pump through an orifice. The orifice can be oriented according to the desired propulsion direction.
Das US-Patent 3,680,315, erteilt an Aschauer et al., offenbart ein hydraulisches Düsenantriebsgerät für Boote, das eine Ablaßdüse mit veränderbarer Fläche aufweist.U.S. Patent 3,680,315, issued to Aschauer et al., discloses a hydraulic jet propulsion device for boats having a variable area discharge nozzle.
Die australische Patentanmeldung 24907/88, eingereicht am 1. November 1988 und für öffentliche Einsicht veröffentlicht am 11. Mai, 1989, offenbart eine Schiffsantriebseinheit, die ein Gehäuse mit einer variablen Einlaßansaugung, einem ersten Satz von Schaufeln stxomabwärts der Ansaugung, einen Propeller/ein Flügelrad, einen zweiten Satz von Schaufeln stromabwärts des genannten Propellers und ein konvergierendes Ablaßgehäuse stromabwärts des genannten zweiten Satzes von Schaufeln aufweist. Die Verwendung von variablem Ansaugen durch die Einlaßöffnung soll ein Stauen während des Ansaugvorgangs und folglich Kavitation und Strömungswiderstand verringern. Die Schiffsantriebseinheit kann sowohl mit Außenbord- als auch mit Heckantriebs-Kraftübertragungen verwendet werden.Australian Patent Application 24907/88 filed on 1 November 1988 and published for public inspection on 11 May 1989 discloses a marine propulsion unit comprising a housing with a variable inlet suction, a first set of blades downstream of the suction, a propeller/impeller, a second set of blades downstream of said propeller and a converging discharge housing downstream of said second set of blades. The use of variable suction through the inlet port is intended to reduce damming during the suction process and consequently cavitation and drag. The marine propulsion unit can be used with both outboard and stern drive power transmissions.
Das an Kuether erteilte US-Patent 3,302,605 offenbart ein Düsenantriebsgerät für Wasserfahrzeuge, das einen Steuermechanismus, welcher verbesserte Manövrierbarkeit gewährleisten soll, und eine Struktur von Propeller und Gehäuse besitzt, die effizient arbeiten und eine minimale Energiemenge benötigen soll.US Patent 3,302,605 granted to Kuether discloses a jet propulsion device for watercraft that has a Control mechanism designed to provide improved maneuverability and a propeller and housing structure designed to operate efficiently and use minimal energy.
Das an Fox erteilte US-Patent 3,187,708 offenbart eine Düsenantriebseinheit für Boote vollständig außerhalb des Schiffskörpers, welche die Struktur von Getriebekastenpropeller und Ruder der gewöhnlichen Motorbootanordnungen ersetzt.US Patent 3,187,708 issued to Fox discloses a jet propulsion unit for boats completely outside the hull, which replaces the gear box propeller and rudder structure of the usual motor boat arrangements.
Das an Klepacz et al. erteilte US-Patent 3,993,015 offenbart ein hydraulisches Antriebssystem für Wasserfahrzeuge, das die Bildung eines parallelwandigen Ansaugtunnels mit offenem Ende einschließt.U.S. Patent 3,993,015 issued to Klepacz et al. discloses a hydraulic propulsion system for watercraft that includes the formation of an open-ended parallel-walled intake tunnel.
Andere US-Patente von Interesse umfassen 3.889,623 an Arnold; 3,827,390·an De Vault et al.; 3,233,573 an Hamilton; 4,133,284 an Holcroft; 3,868,833 an Noe et al.; 4,652,244 an Drury; 3,192,715 an Engel et al.; 3,598,080 an Shields; 3,620,019 an Munte; 3,842,787 an Giacosa; 3,624,737 an Keller; 4,718,870 an Watts; 4,643,685 an Nishida; 4,600,394 an Dritz; 3,782,320 an Groves Jr.; 3,776, 173 an Horwitz; 3,589,325 an Tattersall; 4,432,736 an Parramore; 3,788,265 an Moore; 4,474,561 an Haglung; und 4,925,408 an Webb at al.Other US patents of interest include 3,889,623 to Arnold; 3,827,390 to De Vault et al.; 3,233,573 to Hamilton; 4,133,284 to Holcroft; 3,868,833 to Noe et al.; 4,652,244 to Drury; 3,192,715 to Engel et al.; 3,598,080 to Shields; 3,620,019 to Munte; 3,842,787 to Giacosa; 3,624,737 to Keller; 4,718,870 to Watts; 4,643,685 to Nishida; 4,600,394 to Dritz; 3,782,320 to Groves Jr.; 3,776, 173 to Horwitz; 3,589,325 to Tattersall; 4,432,736 to Parramore; 3,788,265 to Moore; 4,474,561 to Haglung; and 4,925,408 to Webb at al.
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine Düsenantriebseinheit für ein Seeschiff geschaffen, die aufweist:According to the present invention, there is provided a jet propulsion unit for a seagoing vessel, comprising:
einen zusammenlaufenden Ansaugabschnitt mit sich zusammenlaufend verjüngenden Wänden zum Aufnehmen von Wasser aus der Nähe der Einheit, wobei die genannten Wände zum Hemmen von Verwirbelung eine glatte Oberfläche haben;a converging intake section having convergingly tapered walls for receiving water from the vicinity of the unit, said walls having a smooth surface to inhibit turbulence;
einen Flügelradabschnitt zum Vergrößern der Energie von Wasser aus dem genannten Ansaugabschnitt;an impeller section for increasing the energy of water from said suction section;
einen Diffusorabschnitt zum Fördern der axialen Strömung von Wasser aus dem genannten Flügelradabschnitt;a diffuser section for promoting the axial flow of water from said impeller section;
einen schwenkbaren Ablaßabschnitt zum Ablassen von Wasser aus dem genannten Diffusorabschnitt in Form eines im wesentlichen pfropfenströmungsgerichteten Wasserstrahls;a pivotable discharge section for discharging water from said diffuser section in the form of a substantially plug-flow directed water jet;
ein in dem genannten Flügelradabschnitt angeordnetes zylindrisches Gehäuse mit einer inneren Oberfläche von allgemein einheitlichem Durchmesser;a cylindrical housing disposed in said impeller section having an inner surface of generally uniform diameter;
eine konzentrisch in dem genannten zylindrischen Gehäuse angeordnete drehbare Nabe, die im axialen Querschnitt betrachtet eine äußere Oberfläche hat, welche einen konkaven Bereich und einen konvexen Bereich und einen Außendurchmesser aufweist, der sich von einem Minimum nahe dem genannten Ansaugabschnitt zu einem Maximum nahe dem genannten Diffusorabschnitt vergrößert;a rotatable hub concentrically disposed in said cylindrical housing and having an outer surface, viewed in axial cross-section, which has a concave portion and a convex portion and an outer diameter increasing from a minimum near said intake portion to a maximum near said diffuser portion;
eine Vielzahl von radial beabstandeten Flügelradflügeln, die an der genannten drehbaren Nabe befestigt sind und sich von der äußeren Oberfläche der genannten Nabe bis angrenzend an die innere Oberfläche des genannten zylindrischen Gehäuses erstrecken; wobei die genannten Flügel in einem Winkel bezüglich der Längsachse der genannten drehbaren Nabe geneigt sind;a plurality of radially spaced impeller blades secured to said rotatable hub and extending from the outer surface of said hub to extending adjacent the inner surface of said cylindrical housing; said vanes being inclined at an angle with respect to the longitudinal axis of said rotatable hub;
eine in dem genannten Diffusorabschnitt angeordnete innere Oberfläche, die sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem genannten Flügelradabschnitt zu einem minimalen Durchmesser nahe dem genannten Ablaßabschnitt verjüngt;an inner surface disposed in said diffuser section tapering from a maximum diameter proximate said impeller section to a minimum diameter proximate said vent section;
eine feste Nabe, die konzentrisch in dem genannten Diffusorabschnitt angeordnet ist und eine konvexe äußere Oberfläche aufweist, welche sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem genannten Flügelradabschnitt zu einem distalen Endpunkt nahe dem genannten Ablaßabschnitt verjüngt, wobei die genannte äußere Oberfläche der festen Nabe und die genannte innere Oberfläche einen Ring in dem genannten Diffusorabschnitt begrenzen, der eine allgemein zusammenlaufende Querschnittsfläche hat;a fixed hub concentrically disposed in said diffuser section and having a convex outer surface tapering from a maximum diameter proximate said impeller section to a distal terminus proximate said vent section, said fixed hub outer surface and said inner surface defining an annulus in said diffuser section having a generally converging cross-sectional area;
eine Vielzahl von radial beabstandeten Diffusorschaufeln, die sich von der genannten äußeren Oberfläche der festen Nabe zu der genannten inneren Oberfläche des Diffusorabschnitts erstrecken, wobei die genannten Diffusorschaufeln wenigstens einen distalen Bereich aufweisen, der parallel zu einer Längsachse der genannten festen Nabe nahe dem genannten Ablaßabschnitt ist;a plurality of radially spaced diffuser vanes extending from said outer surface of the fixed hub to said inner surface of the diffuser section, said diffuser vanes having at least a distal portion parallel to a longitudinal axis of said fixed hub proximate said vent section;
ein zwischen der genannten drehbaren Nabe und der genannten festen Nabe angeordnetes Lager; unda bearing disposed between said rotatable hub and said fixed hub; and
Mittel zum Drehen der genannten drehbaren Nabe bezüglich der genannten festen Nabe.Means for rotating said rotatable hub with respect to the aforementioned fixed hub.
Einer bevorzugten Ausführungsform zufolge schafft die vorliegende Erfindung eine Düsenantriebseinheit für Schiffsschrauben in einem Tunnel zur Anordnung im hinteren Teil eines anzutreibenden Seeschiffes. Die Einheit umfaßt einen Tunnel mit Düsenströmungscharakteristiken auf einer volumetrischen Basis und eine zusätzliche Flügelradanordnung, die die Einheit befähigt, über eine breite Vielfalt von Bedingungen, die mit Geschwindigkeitsänderung, Manövrierbarkeit und Seebedingungen verknüpft sind, ohne Kavitation oder Zusammenballung zu arbeiten. Zusätzliche Merkmale umfassen ein Zusammenballung entgegen wirkendes Umgehungsventil zum Verringern von übermäßigem Druck im Ansaugabschnitt und einen Trimmungseinstellmechanismus.According to a preferred embodiment, the present invention provides a tunnel-mounted propeller jet propulsion unit for placement in the aft portion of a seagoing vessel to be propelled. The unit includes a tunnel having jet flow characteristics on a volumetric basis and an additional impeller assembly enabling the unit to operate without cavitation or bunching over a wide variety of conditions related to speed change, maneuverability and sea conditions. Additional features include an anti-bunching bypass valve for reducing excessive pressure in the intake section and a trim adjustment mechanism.
Die Düsenantriebseinheit für Schiffsschrauben in einem Tunnel für ein Seeschiff weist einen zusammenlaufenden Ansaugabschnitt mit sich zusammenlaufend verjüngenden Wänden zum Aufnehmen von Wasser aus der Nähe der Einheit; einen Flügelradabschnitt zum Vergrößern der Energie von Wasser aus dem genannten Ansaugabschnitt; und einen Diffusorabschnitt zum Fördern der axialen Strömung des Wassers aus dem Flügelradabschnitt auf. Der Ablaßabschnitt ist schwenkbar zum Ablassen von Wasser aus dem Diffusorabschnitt in Form eines gerichteten Wasserstrahls. In dem Flügelradabschnitt ist ein zylindrisches Gehäuse mit einer inneren Oberfläche von allgemein einheitlichem Durchmesser angeordnet. In dem zylindrischen Gehäuse ist konzentrisch eine drehbare Nabe angeordnet, die eine Außenfläche mit konkaven und konvexen Bereichen und einen Außendurchmesser aufweist, der sich von einem minimalen Außendurchmesser nahe dem Ansaugabschnitt zu einem maximalen Außendurchmesser nahe dem Diffusorabschnitt vergrößert. Eine Vielzahl von radial beabstandeten Flügelradflügeln sind an der drehbaren Nabe befestigt und erstrecken sich von der äußeren Oberfläche der Nabe bis angrenzend an die innere Oberfläche des zylindrischen Gehäuses. Die Flügel sind in einem Winkel bezüglich einer Ebene geneigt, die eine Längsachse der drehbaren Nabe enthält. Eine im Diffusorabschnitt angeordnete innere Oberfläche verjüngt sich nach innen von einem maximalen Durchmesser nahe dem Flügelradabschnitt zu einem minimalen Durchmesser nahe dem Ablaßabschnitt. In dem Diffusorabschnitt ist konzentrisch eine feste Nabe angeordnet, die eine Außenfläche aufweist, welche sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem Flügelradabschnitt zu einem distalen Endpunkt nahe dem Ablaßabschnitt nach innen verjüngt. Die äußere Oberfläche der festen Nabe und die innere Oberfläche des Diffusorabschnitts begrenzen einen Ring in dem Diffusorabschnitt mit einer allgemein zusammenlaufenden Querschnittfläche. Eine Vielzahl von radial beabstandeten Diffusorschaufeln erstrecken sich von der äußeren Oberfläche der festen Nabe zur inneren Oberfläche des Diffusorabschnitts. Die Diffusorschaufeln weisen wenigstens einen distalen Bereich auf, der parallel zu einer Längsachse der festen Nabe nahe dem Ablaßabschnitt ist. Ein Lager ist zwischen der drehbaren Nabe und der festen Nabe mit einem Mittel zum Drehen der drehbaren Nabe bezüglich der festen Nabe angeordnet.The jet propulsion unit for marine propellers in a tunnel for a seagoing vessel comprises a converging intake section with convergingly tapered walls for receiving water from the vicinity of the unit; an impeller section for increasing the energy of water from said intake section; and a diffuser section for promoting the axial flow of water from the impeller section. The discharge section is pivotable for discharging water from the diffuser section in the form of a directed jet of water. A cylindrical housing having an inner surface of generally uniform diameter is disposed within the impeller section. A rotatable hub is disposed concentrically within the cylindrical housing and has an outer surface having concave and convex portions and a outside diameter that increases from a minimum outside diameter near the intake section to a maximum outside diameter near the diffuser section. A plurality of radially spaced impeller blades are attached to the rotatable hub and extend from the outer surface of the hub to adjacent the inner surface of the cylindrical housing. The blades are inclined at an angle with respect to a plane containing a longitudinal axis of the rotatable hub. An inner surface disposed in the diffuser section tapers inwardly from a maximum diameter near the impeller section to a minimum diameter near the discharge section. Concentrically disposed in the diffuser section is a fixed hub having an outer surface that tapers inwardly from a maximum diameter near the impeller section to a distal end point near the discharge section. The outer surface of the fixed hub and the inner surface of the diffuser section define an annulus in the diffuser section having a generally converging cross-sectional area. A plurality of radially spaced diffuser vanes extend from the outer surface of the fixed hub to the inner surface of the diffuser section. The diffuser vanes have at least a distal portion that is parallel to a longitudinal axis of the fixed hub proximate the discharge section. A bearing is disposed between the rotatable hub and the fixed hub with means for rotating the rotatable hub relative to the fixed hub.
Die Ansaugpassage hat vorzugsweise eine querlaufende Einlaßquerschnittsfläche, die in einem Verhältnis von etwa 1,5 bis etwa 2,5 : 1 proportional zu einer Einlaßquerschnittsfläche des Flügelradabschnitts ist. Eine Armlochleitung ermöglicht einen schnellen Zugang zu der Einlaßpassage und ein oder mehrere sicher entlang einer inneren Umrißfläche befestigte Begradigungsschaufeln dämpfen die Drehung der herein fließenden Strömung. Der Flügelradabschnitt umfaßt vorzugsweise ein Umgehungsventil, das stromaufwärts der Flügelradflügel zum Hemmen von Zusammenballung angeordnet ist. Der Querschnitt des Flügelradabschnitteinlasses ist in einem Verhältnis von etwa 0,50 bis 0,75 : 1, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,60 bis 0,70 : 1 und optimal etwa 0,64 : 1 proportional zu dem Querschnitt des Diffusorabschnittauslasses.The intake passage preferably has a transverse inlet cross-sectional area which is in a ratio of approximately 1.5 to about 2.5:1 proportional to an inlet cross-sectional area of the impeller section. An armhole conduit allows ready access to the inlet passage and one or more straightening vanes securely attached along an inner perimeter surface dampen rotation of the incoming flow. The impeller section preferably includes a bypass valve located upstream of the impeller blades to inhibit agglomeration. The cross-section of the impeller section inlet is proportional to the cross-section of the diffuser section outlet in a ratio of about 0.50 to 0.75:1, preferably in a ratio of about 0.60 to 0.70:1 and optimally about 0.64:1.
Der Ablaßabschnitt weist vorzugsweise eine Düse mit variabler Öffnung, die um 360º durch einen Steuermechanismus gedreht werden kann, und eine Trimmungseinstellung auf, die die Düse anhebt und absenkt, um die Trimmung des Schiffes einzustellen. Eine oder mehrere Begradigungsschaufeln sind an einer inneren Oberfläche der Düse befestigt und Speichenschaufeln werden zur Befestigung des Steuermechanismus verwendet. Der Querschnitt des Ablaßabschnittauslasses ist vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,25 bis etwa 0,50 : 1, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,30 bis etwa 0,40 : 1 und optimal etwa 0,35 : 1 proportional zu einem Querschnitt des Flügelradabschnitteinlasses.The discharge section preferably has a variable orifice nozzle that can be rotated 360º by a control mechanism and a trim adjustment that raises and lowers the nozzle to adjust the trim of the vessel. One or more straightening vanes are attached to an inner surface of the nozzle and spoke vanes are used to attach the control mechanism. The cross-section of the discharge section outlet is preferably proportional to a cross-section of the impeller section inlet in a ratio of about 0.25 to about 0.50:1, preferably in a ratio of about 0.30 to about 0.40:1, and optimally about 0.35:1.
Das gesamte System liefert einen Strömungsdurchfluß bei niedrigem Widerstand, wobei interne Behinderungen für die Strömung verringert sind und die zusammenlaufenden Abschnitte glatt und graduell sind.The entire system provides low resistance flow, with internal obstructions to the flow being reduced and the converging sections being smooth and gradual.
Fig. 1 ist ein teilweise weggeschnittener Längsquerschnitt, der die Düsenantriebseinheit mit Schiffsschraube in einem Tunnel in den Begrenzungen eines Seeschiffs in Vorwärtsschubposition und in Rückwärtsschubposition zeigt.Fig. 1 is a partially cut-away longitudinal cross-section showing the jet propulsion unit with propeller in a tunnel within the confines of a sea-going vessel in the forward thrust position and in the aft thrust position.
Fig. 2 ist eine darstellenden Ansicht einer Düsenantriebseinheit mit Schiffsschraube in einem Tunnel der vorliegenden Erfindung aus Fig. 1 in Stellung in einem Seeschiff.Fig. 2 is an illustrative view of a tunnel-mounted propeller jet propulsion unit of the present invention of Fig. 1 in position in a seagoing vessel.
Fig. 3 ist eine winkelförmige perspektivische Außenansicht des Ansaugabschnitts der Düsenantriebseinheit der vorliegenden Erfindung.Fig. 3 is an external angled perspective view of the intake section of the nozzle propulsion unit of the present invention.
Fig. 4 ist eine perspektivische Vorderansicht der Einheit von Fig. 3 entlang der Linien 4-4.Fig. 4 is a front perspective view of the unit of Fig. 3 taken along lines 4-4.
Fig. 5 ist eine perspektivische Bodenansicht des Ansaugabschnitts der Düsenantriebseinheit von Fig. 3 entlang der Linien 5-5.Fig. 5 is a bottom perspective view of the intake section of the jet propulsion unit of Fig. 3 taken along lines 5-5.
Fig. 6 ist eine perspektivische Seitenansicht der Pumpen- und Ablaßabschnitte der Düsenantriebseinheit der vorliegenden Erfindung.Figure 6 is a side perspective view of the pump and drain sections of the nozzle drive unit of the present invention.
Fig. 7 ist eine perspektivische Rückansicht des Pumpen- und Ablaßabschnitts der Düsenantriebseinheit in Fig. 6 entlang der Linie 7-7.Fig. 7 is a rear perspective view of the pump and drain section of the nozzle drive unit in Fig. 6 taken along line 7-7.
Fig. 8 ist eine perspektivische Querschnittansicht der Düsenantriebseinheit in Fig. 1 entlang der Linien 8-8, die die Schaufel- und Nabenanordnung zeigt.Fig. 8 is a perspective cross-sectional view of the nozzle drive unit in Fig. 1 taken along lines 8-8 showing the blade and hub assembly.
Fig. 9 ist eine perspektivische Querschnittansicht der Düsenantriebseinheit von Fig. 1 entlang der Linien 9-9, die die Schaufel- und Nabenanordnung zeigt.Fig. 9 is a perspective cross-sectional view of the nozzle drive unit of Fig. 1 taken along lines 9-9 showing the blade and hub assembly.
Fig. 10 ist eine fragmentartige perspektivische Ansicht entlang der Linien 10-10 der Einheit von Fig. 1, die die Einlaßfläche einer Flügelradanordnung zeigt.Fig. 10 is a fragmentary perspective view taken along lines 10-10 of the unit of Fig. 1 showing the inlet face of an impeller assembly.
Fig. 11 ist eine fragmentartige perspektivische Ansicht entlang der Linien 11-11 der Einheit von Fig. 1, die die Ablaßfläche der Flügelradanordnung zeigt.Fig. 11 is a fragmentary perspective view taken along lines 11-11 of the unit of Fig. 1 showing the discharge surface of the impeller assembly.
Fig. 12 ist ein winkelförmige perspektivische Ansicht der Flügelradanordnung.Fig. 12 is an angled perspective view of the impeller assembly.
Fig. 13 ist eine perspektivische Seitenansicht einer Diffusorschaufelanordnung.Fig. 13 is a side perspective view of a diffuser vane assembly.
Fig. 14 ist eine axiale Ansicht der drehbaren Nabe.Fig. 14 is an axial view of the rotatable hub.
Fig. 15 ist eine axiale Ansicht der festen Nabe.Fig. 15 is an axial view of the fixed hub.
Fig. 16 ist eine Ansicht einer doppelten Nabenanordnung in Längsquerschnitt.Fig. 16 is a view of a dual hub assembly in longitudinal cross section.
Fig. 17 ist eine perspektivische Seitenansicht der Flügelradanordnung von Fig. 12, die einen Flügelradflügel befestigt zeigt.Fig. 17 is a side perspective view of the impeller assembly of Fig. 12 showing an impeller blade attached.
Fig. 18 ist eine perspektivische Seitenflächenansicht eine Flügelradflügels.Fig. 18 is a side surface perspective view of an impeller blade.
Fig. 19 ist eine ebene perspektivische Ansicht entlang einer inneren Länge des Flügelradflügels.Fig. 19 is a planar perspective view taken along an inner length of the impeller blade.
Fig. 20 ist eine ebene perspektivische Ansicht entlang eines Randes des Flügelradflügels, die eine Neigung in dem Flügel zeigt.Fig. 20 is a planar perspective view along an edge of the impeller blade showing a slope in the blade.
Fig. 21 ist eine ebene perspektivische Ansicht entlang eines zweiten Randes des Flügelradflügels, die die Neigung in dem Flügelradflügel zeigt.Fig. 21 is a planar perspective view along a second edge of the impeller blade showing the inclination in the impeller blade.
Die vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Entdeckung, daß eine wesentlich vergrößerte Antriebsleistung erhalten werden kann, indem man die hindurchfließende Wassermasse auf einer volumetrischen Basis zusammenlaufen läßt, wie es durch Fluidströmung durch eine Düse gezeigt ist. Oder, mit anderen Worten, verkleinert sich die axiale Querschnittströmungsfläche im wesentlichen einheitlich vom Einlaß zum Auslaß. Die Verwendung einer volumetrischen Düsenausführung in der vorliegenden Erfindung verringert Verwirbelung und verstärkt den Pfropfenströmungscharakter des Wasserstroms.The present invention is based in part on the discovery that substantially increased propulsion power can be obtained by converging the mass of water flowing therethrough on a volumetric basis, as demonstrated by fluid flow through a nozzle. Or, in other words, the axial cross-sectional flow area decreases substantially uniformly from inlet to outlet. The use of a volumetric nozzle design in the present invention reduces turbulence and enhances the plug flow character of the water stream.
Bezugnehmend auf die Fig. 1-2 wirkt die Einheit 11 ähnlich wie eine Axial- oder Turbinenpumpe, die einen sich zwischen Linien A-A bis B-B erstreckenden Ansaugabschnitt I, einen sich zwischen Linien B-B bis C-C erstreckenden Flügelradabschnitt P und einen Ablaßabschnitt D zwischen den Linien C-C bis E-E umfaßt. Eine in den Einlaßdurchgang 23 angesaugte Wassersäule wird aktiviert und durch den Ablaßabschnitt beschleunigt, um Schub für ein Schiff 10 zu liefern.Referring to Fig. 1-2, the unit 11 acts similarly to an axial or turbine pump, which comprises a suction section I extending between lines AA to BB, a impeller section P extending between lines BB to CC and a discharge section D between lines CC to EE. A column of water drawn into the inlet passage 23 is activated and accelerated through the discharge section to provide thrust for a vessel 10.
Das Seeschiff 10 hat die Düsenantriebseinheit 11 für Schiffsschrauben in einem Tunnel in dem hinteren Abschnitt installiert, so daß der Ansaugabschnitt I der Einheit 11 in den Bodenschiffskörper 9 zwischen Befestigungsblöcken 7 eingebaut ist, und der Ablaßabschnitt D der Einheit 11, der durch Querträger 5 gehalten wird, erstreckt sich aus der Rückseite des Schiffs heraus anstelle eines gewöhnlichen Flügelrads. Die Einheit 11 ist diagrammartig in zwei ihrer Schubpositionen gezeigt: F - Die Vorwärtsantriebsposition und R - die Rückwärtsantriebsposition. Eine Antriebsmaschine 13 ist direkt an einer Flügelradwelle 32 befestigt und eine Steuerverbindung 15 ist an dem Steuermittel S der Antriebseinheit 11 befestigt.The seagoing vessel 10 has the jet propulsion unit 11 for propellers installed in a tunnel in the rear section, so that the intake section I of the unit 11 is built into the bottom hull 9 between mounting blocks 7, and the discharge section D of the unit 11, which is held by cross members 5, extends out of the rear of the vessel instead of an ordinary impeller. The unit 11 is diagrammatically shown in two of its thrust positions: F - the forward propulsion position and R - the aft propulsion position. A drive engine 13 is directly attached to an impeller shaft 32 and a control link 15 is attached to the control means S of the drive unit 11.
Bezugnehmend auf die Fig. 1, 4 und 5 definiert der Ansaugabschnitt I genauer ausgedrückt einen Ansaugdurchgang 23 in einem Gehäuse 12, der zwischen einer Ansaugöffnung 22, die in der Bodenfläche des Schiffskörpers an einem Ende gebildet ist, und der Ansaugöffnung 24 zum dem Flügelradabschnitt P am anderen Ende kommuniziert. Der Durchgang 23, der zu Beginn rechteckig ist, hat zwei vertikale Wände 152, eine lange geneigte Wand 153 und eine kurze geneigt Wand 155, die an einer Krümmung 156 zu einer zylindrische Kammer zusammenlaufen. Nach der Krümmung 156 ist der Durchgang 23 zylindrisch. Zusammenlaufende Wände des Durchgangs 22 sind an Schnittstellen geeignet geglättet und abgerundet, um Strömung ohne Verwirbelung zu vereinfachen. Typischerweise variiert der Winkel der Krümmung 156 von etwa 40 bis etwa 45 Grad abhängig von einer spezifischen Ausführungsanforderung. Die Querschnittfläche der Ansaugöffnung 22 ist vorzugsweise in einem Verhältnis, das von etwa 1,5 bis etwa 2,5 : 1 variiert, proportional zu der Querschnittfläche des Einlasses 24 zu einem Flügelrad 33.Referring to Figs. 1, 4 and 5, the suction section I more specifically defines a suction passage 23 in a housing 12 communicating between a suction opening 22 formed in the bottom surface of the hull at one end and the suction opening 24 to the impeller section P at the other end. The passage 23, which is initially rectangular, has two vertical walls 152, a long inclined wall 153 and a short inclined wall 155, which converge at a bend 156 to form a cylindrical chamber. After the bend 156, the passage 23 is cylindrical. Converging walls of the passage 22 are suitably smoothed at intersections. and rounded to facilitate flow without turbulence. Typically, the angle of the bend 156 varies from about 40 to about 45 degrees depending on a specific design requirement. The cross-sectional area of the intake port 22 is preferably proportional to the cross-sectional area of the inlet 24 to an impeller 33 in a ratio varying from about 1.5 to about 2.5:1.
Entlang der Ansaugwände des Einlaßgehäuses 12 sind eine oder mehrere Begradigungsschaufeln 154 angeordnet. Richtungsschaufeln 154 sind radial entlang der Oberfläche des Einlaßgehäuses 12 beabstandet, so daß gleiche Volumen von Wasser zum Umfang des Flügelrads 33 geleitet werden können. Schaufeln 154 minimieren radiale Belastungen auf dem Flügelrad 33 für optimierte Strömungsleistung. Die Schaufeln 154 arbeiten auch, um jegliche vorläufige Verwirbelung und Turbulenz in der Einlaßwassersäule zu dämpfen.One or more straightening vanes 154 are disposed along the intake walls of the inlet casing 12. Directing vanes 154 are spaced radially along the surface of the inlet casing 12 so that equal volumes of water can be directed to the periphery of the impeller 33. Vanes 154 minimize radial loads on the impeller 33 for optimized flow performance. The vanes 154 also function to dampen any preliminary swirl and turbulence in the inlet water column.
Innerhalb des Durchgangs 23 ist, wie in Fig. 5 zu sehen, ein Ansaugrost 176 nahe der Schiffskörperöffnung 22 angeordnet. Der Rost 176 ist typischerweise eine Bespannung aus parallelen Stäben, die längs des Schiffskörpers 9 angeordnet sind. Die Stäbe des Rosts 176 haben einen stromlinienförmigen oder Tragflügelquerschnitt in der Richtung der hinein fließenden Strömung, um minimalen Widerstand gegen die Wasserströmung zu erzeugen. Der Abstand zwischen den Stäben des Rosts 176 sollte vorzugsweise nicht den Abstand zwischen Diffusorschaufeln 40 überschreiten, um den Eintritt großer Gegenstände, die nicht durch die Einheit 11 hindurch gelangen können, zu verhindern.Within the passage 23, as seen in Fig. 5, an intake grate 176 is arranged near the hull opening 22. The grate 176 is typically a covering of parallel bars arranged along the hull 9. The bars of the grate 176 have a streamlined or airfoil cross-section in the direction of the incoming flow to create minimal resistance to the water flow. The distance between the bars of the grate 176 should preferably not exceed the distance between diffuser vanes 40 to prevent the entry of large objects which cannot pass through unit 11.
Wenn Verschmutzung innerhalb des Gehäuses 12 auftritt, ist eine Armlochleitung 100 vorgesehen, um schnellen Zugang zum Durchgang 23 zu ermöglichen. Die Leitung 100 ist an der Krümmung 156 angeordnet und weist ein zylindrisches Gehäuse 101 mit einem Außenflansch 102 und einem Pfropfen 106 auf. Der Pfropfen 106 ist mit einem festen Abschnitt 104 versehen, der an einem geflanschten Deckel 108 befestigt ist, welcher das Leitungsgehäuse 101 vollständig füllt. Der Abschnitt 104 ist mit einer glatten Umrißfläche 103 versehen, die dem Oberflächenabschnitt entspricht, der in der Krümmung 156 aus dem Gehäuse 12 entfernt wird, wenn die Leitung 100 installiert wird. Die Leitung 100, wenn sie richtig eingestöpselt ist, stellt keinen zusätzlichen Widerstand für die Strömung oder einen Bereich von Strömungsunterbrechung dar. Der Flansch 102 ist mit hochstehenden Gewindeschrauben 109 versehen, die in Bohrungen im Flansch 108 eingeführt werden, so daß der Pfropfen 106 bei seiner Installierung richtig ausgerichtet werden kann. Ein an dem Deckel 106 befestigter Griff 107 sorgt für zusätzliche Ausrichtungsindizien.If contamination occurs within the housing 12, an armhole conduit 100 is provided to allow quick access to the passage 23. The conduit 100 is located at the bend 156 and comprises a cylindrical housing 101 with an outer flange 102 and a plug 106. The plug 106 is provided with a solid portion 104 which is secured to a flanged cover 108 which completely fills the conduit housing 101. The portion 104 is provided with a smooth contour surface 103 which corresponds to the surface portion which is removed from the housing 12 at the bend 156 when the conduit 100 is installed. The line 100, when properly plugged, presents no additional resistance to flow or an area of flow disruption. The flange 102 is provided with upstanding threaded screws 109 which are inserted into holes in the flange 108 so that the plug 106 can be properly aligned during its installation. A handle 107 attached to the cover 106 provides additional alignment indicia.
Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Umgehungsventilanordnung 172, die in dem Gehäuse 12 nahe dem in Fig. 1 gezeigten Einlaß 24 angebracht ist. Überschüssiges Wasser wird durch die Umgehungsventilanordnung 172 abgelassen, wenn der Wasserdruck zwischen dem Schiffskörper 10 und dem Ansaugeinlaß 22 Handhabungskapazität überschreitet. Der umgangssprachlich als Zusammenballung bekannte Aufbau von überschüssigem Wasser ist ein gewöhnliches Ereignis in Düsenantriebseinheiten für Schiffe. Wenn Zusammenballung bei hohen Schiffsgeschwindigkeiten, wenn das Schiff scharfen Manövern ausgesetzt wird, und/oder während rauher Seebedingungen auftritt, bewirkt es eine hohe Widerstandscharakteristik auf den Schiffskörper 10 und beeinflußt die Antriebsleistung der Einheit 11. Die Ventilanordnung 172 funktioniert als eine gegen Zusammenballung wirkende Einrichtung, um damit verknüpften Druck zu vermindern.A preferred feature of the present invention is a bypass valve assembly 172 mounted in the housing 12 near the inlet 24 shown in Fig. 1. Excess water is drained through the bypass valve assembly 172 when the water pressure between the hull 10 and the suction inlet 22 exceeds handling capacity. The buildup of excess water, colloquially known as agglomeration, is a common occurrence in Jet propulsion units for ships. When agglomeration occurs at high ship speeds, when the ship is subjected to sharp maneuvers, and/or during rough sea conditions, it imposes a high drag characteristic on the hull 10 and affects the propulsion performance of the unit 11. The valve assembly 172 functions as an anti-agglomeration device to reduce associated pressure.
Der Einlaßabschnitt I ist im hinteren Abschnitt des Schiffskörpers installiert, so daß eine Vorwärtsbewegung des Schiffs und anschließende Erhöhung über die Wasseroberfläche eine Anordnung des Ansaugabschnitts I etwas unterhalb der Wasserhöhe des Schiffskörpers ermöglicht. Für einen richtigen Betrieb während einer Ruhephase oder bei einer niedrigen Geschwindigkeit sollte die Einheit jedoch so installiert sein, daß wenigstens etwa 60 bis 70 Prozent der Querschnittfläche des Flügelrads 33 untergetaucht ist. Der Ansaugabschnitt I ist zum Beispiel mittels eines Flanschs 150 an den Schiffskörper geschraubt.The inlet section I is installed in the rear section of the hull so that forward movement of the vessel and subsequent elevation above the water surface allows the suction section I to be located slightly below the water level of the hull. However, for proper operation during a resting phase or at a low speed, the unit should be installed so that at least about 60 to 70 percent of the cross-sectional area of the impeller 33 is submerged. The suction section I is bolted to the hull, for example by means of a flange 150.
Der Flügelradabschnitt P der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist von Linie A-A bis Linie B-B so gezeigt, daß er nur eine einziges Stufenflügelrad enthält. Die Flügelradanordnung weist ein entfernbares Gehäuse 31, das aus zwei kleineren Abschnitten aufgebaut ist, ein Flügelradgehäuse 14 und ein Diffusorgehäuse 16 mit einem Flügelrad 33 und einem Diffusor 35 auf. Das Flügelradgehäuse 14 ist zylindrisch mit einem allgemein einheitlichen Durchmesser an der Einlaßöffnung 24 und der Auslaßöffnung 26. Das Diffusorgehäuse 16 ist zylindrisch mit einer Innenfläche, die sich von einem maximalen Durchmesser nahe dem Flügelradabschnitt I zu einem minimalen Durchmesser nahe dem Ablaßabschnitt D nach innen verjüngt. Die zusammenlaufende Innenfläche 39 des Diffusorgehäuses 16 hat eine Auslaßquerschnittfläche 28, die vorzugsweise in einem Verhältnis, das von etwa 0,5 bis 0,75 : 1 variiert, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,60 bis etwa 0,70 : 1 und optimal etwa 0,64 : 1 proportional zu der Querschnittfläche der Ansaugöffnung 24 des Flügelradabschnitts ist, so daß die volumetrische Verschiebung des Diffusorabschnitts kleiner als die volumetrische Verschiebung des Flügelradabschnitts ist. Die volumetrische Verschiebung des Diffusorabschnitts beträgt von etwa 75 bis etwa 90 Prozent der volumetrischen Verschiebung des Flügelradabschnitts, vorzugsweise von etwa 80 bis etwa 90 Prozent der volumetrischen Verschiebung des Flügelradabschnitts und optimal 85 Prozent. Darüber hinaus weist der ringförmige Strömungskanal, der durch die Kombination aus axialem Flügelrad/Diffusornabe in dem Flügelradgehäuse 31 gebildet wird, glatte, im wesentlichen angrenzende Innen- und Außenflächen zum Verhindern turbulenter Grenzwirbel auf. Ein wichtiges Ausführungskriterium des Flügelradabschnitts P besteht darin, daß die Querschnittfläche des Flügelradgehäuses 14 und des Diffusorgehäuses 16 an dem Verbindungspunkt 26 die gleiche sein sollte.The impeller section P of the present invention, as seen in Figure 1, is shown from line AA to line BB as containing only a single stage impeller. The impeller assembly includes a removable housing 31 constructed from two smaller sections, an impeller housing 14 and a diffuser housing 16 having an impeller 33 and a diffuser 35. The impeller housing 14 is cylindrical with a generally uniform diameter at the inlet opening 24 and the outlet opening 26. The diffuser housing 16 is cylindrical with an inner surface extending from a maximum Diameter near the impeller section I to a minimum diameter near the discharge section D. The converging inner surface 39 of the diffuser housing 16 has an outlet cross-sectional area 28 which is preferably proportional to the cross-sectional area of the impeller section intake opening 24 in a ratio varying from about 0.5 to 0.75:1, preferably in a ratio of about 0.60 to about 0.70:1, and optimally about 0.64:1, such that the volumetric displacement of the diffuser section is less than the volumetric displacement of the impeller section. The volumetric displacement of the diffuser section is from about 75 to about 90 percent of the volumetric displacement of the impeller section, preferably from about 80 to about 90 percent of the volumetric displacement of the impeller section, and optimally 85 percent. In addition, the annular flow channel formed by the axial impeller/diffuser hub combination in the impeller housing 31 has smooth, substantially contiguous inner and outer surfaces to prevent turbulent boundary vortices. An important design criterion of the impeller section P is that the cross-sectional area of the impeller housing 14 and the diffuser housing 16 should be the same at the junction point 26.
Unter besonderer Bezugnahme auf einzelne Teile des Flügelradabschnitts P hat die Flügelradanordnung 33 eine einzigartige Ausführung, die vorhergehend vielen Prüfungen und Modifikationen sowohl bezüglich der Form eines Nabenteils 34 und der Flügelradflügel 36 unterzogen worden ist, siehe Fig. 10-12, 14, 16-21. Ein wesentlicher Aspekt des Flügelrads 33 besteht darin, daß Flügelradflügel 36 hohle abgeflachte Flügelabschnitte, die entlang einer sich nach außen verjüngenden konvexen Oberfläche 58 des Nabenteils 34 wie in Fig. 16 zu sehen befestigt sind, anstelle eines flachen Abschnitts darstellen, wie es typisch in der Ausführung des Standes der Technik ist.With particular reference to individual parts of the impeller section P, the impeller assembly 33 has a unique design which has previously been subjected to many tests and modifications both with regard to the shape of a hub part 34 and the impeller blades 36, see Fig. 10-12, 14, 16-21. An essential aspect of the impeller 33 is that impeller blades 36 are hollow flattened blade sections mounted along an outwardly tapered convex surface 58 of the hub portion 34 as seen in Fig. 16, rather than a flat section as is typical in the prior art design.
Bezugnehmend auf die Fig. 14 und 16 hat eine Flügelradnabe 34 vorzugsweise eine konvexe Oberfläche und einen ringförmigen Innenraum, stärker bevorzugt hat die Nabe 34 eine Außenfläche, die einen konkaven Bereich mit einem vorderen Ende 60 mit schmalem Durchmesser, einen Mittelteil 58 mit zunehmendem variablem Durchmesser und einen konvexen Bereich mit einem hinteren Ende 56 mit großem Durchmesser (betrachtet im axialen Querschnitt) und ringförmigem Innenraum aufweist. Die Gesamtform der Flügelradnabe 34 ist so ausgeführt, daß das zusammenlaufende volumetrische Verhältnis in dem innerhalb des zylindrischen Flügelradgehäuse 14 gebildeten ringförmigen Raum in dem Ansaugabschnitt der Antriebseinheit der vorliegenden Erfindung beginnt und das durch die Flügelradflügel 36 verschobene Volumen kompensiert. Ein distales Ende 66 der Welle 32 erstreckt sich durch eine konzentrische axiale Bohrung 63 über die Länge der Nabe 34. Das vordere Ende 60 hat eine ringförmige Endfläche, die gegen eine Schulter 68 an der Welle 32 anliegt, um eine glatte kontinuierliche Oberfläche für Fluidströmung vorzusehen. Ringförmige Wände der Nabe 34, die durch konzentrische ringförmige Aushöhlungen 65 und 62 gebildet werden, haben im wesentlichen eine konstante Dicke unter Ausnahme eines distalen ringförmigen Endes 64, das sich von der Bohrung 63 nach außen erstreckt, wodurch eine ergreifbare Oberfläche für eine Verschlußschicht 73 bereitgestellt wird.Referring to Figures 14 and 16, an impeller hub 34 preferably has a convex surface and an annular interior, more preferably the hub 34 has an outer surface having a concave portion with a narrow diameter front end 60, a central portion 58 of increasing variable diameter, and a convex portion with a large diameter rear end 56 (viewed in axial cross section) and annular interior. The overall shape of the impeller hub 34 is designed so that the converging volumetric ratio begins in the annular space formed within the cylindrical impeller housing 14 in the intake section of the power unit of the present invention and compensates for the volume displaced by the impeller blades 36. A distal end 66 of the shaft 32 extends through a concentric axial bore 63 along the length of the hub 34. The forward end 60 has an annular end surface which abuts against a shoulder 68 on the shaft 32 to provide a smooth continuous surface for fluid flow. Annular walls of the hub 34, formed by concentric annular cavities 65 and 62, have a substantially constant thickness except for a distal annular end 64 which extends from the bore 63. extends outwardly, thereby providing a grippable surface for a closure layer 73.
Wie in den Fig. 10-12 und 17-21 zu sehen ist, weist das Flügelrad 33 Flügel 36 mit hohlen abgeflachten Abschnitten auf, die entlang der Umrißfläche des Nabe 34 mit einer Neigung befestigt sind, die dazu ausgeführt ist, die Flügel dem hindurch fließenden Fluid maximal auszusetzen und die durch das Flügelrad 33 erteilte radiale Beschleunigungskomponente zu verringern. Bezugnehmend auf Fig. 18 haben die Flügel 36 vorzugsweise einen konvexen Außenradius 90, einen konkaven Innenradius 86, eine kurze Hinterkante 88, eine lange Vorderkante 84, Seiten 92 mit breiter Oberfläche mit einem Mittelpunkt P, und eine Dicke 91.As seen in Figures 10-12 and 17-21, the impeller 33 includes vanes 36 with hollow flattened sections mounted along the perimeter of the hub 34 at a slope designed to maximize the vanes' exposure to the fluid flowing therethrough and to reduce the radial acceleration component imparted by the impeller 33. Referring to Figure 18, the vanes 36 preferably have a convex outer radius 90, a concave inner radius 86, a short trailing edge 88, a long leading edge 84, wide surface sides 92 with a center P, and a thickness 91.
Die Neigung der Flügelradflügel 36 ist definiert als eine durchschnittliche Neigung oder ein Verdrehungsgrad in der Länge der Flügel 36, wie aus dem Lot unter Bezugnahme auf eine Linientangente zur Außenfläche der Nabe 34 an der Vorderkante 84 und an der Hinterkante 88 bestimmt wird. Wenn entweder entlang des Innenradius 86 oder des Außenradius 90 wie in den Fig. 17-19 betrachtet, oder wenn entlang der Vorder- oder Hinterkante des Flügels hinab betrachtet, wie in den Fig. 20 und 21 zu sehen ist, liegt ein durchschnittlicher Neigungswinkel beider Kantenseiten vorzugsweise in einem Bereich von etwa 20-40 Grad vom Lot entfernt, stärker bevorzugt etwa 30 Grad vom Lot entfernt, wobei eine Kante entgegengesetzt der anderen wie durch den Flügel erfordert 36 geneigt ist, um dem Umriß der Nabenoberfläche 34 zu folgen. Die Vorderkante ist in die Bewegungsrichtung der Flügelraddrehung verdreht. Es wird erkannt werden, daß die Vorderkante 84 dem Vorderende 60 der Nabe 34 entspricht, die einen schmalen Durchmesser hat, und die Hinterkante 88 dem Hinterende 56 der Nabe 34 entspricht, und daß die radiale Breite des Mittelabschnitts des Flügels 36 eine Funktion des Radius des Mittelabschnittsbereichs 58 der Nabe 34 ist, so daß der Flügelraddurchmesser im wesentlichen konstant ist. Die Gesamtlänge des Flügels 36 ist gleich der Länge der Nabe 34 plus der winkelförmigen Komponente.The pitch of the impeller blades 36 is defined as an average pitch or degree of twist in the length of the blades 36 as determined from the perpendicular with reference to a line tangent to the outer surface of the hub 34 at the leading edge 84 and at the trailing edge 88. When viewed along either the inner radius 86 or the outer radius 90 as in Figs. 17-19, or when viewed down the leading or trailing edge of the blade as seen in Figs. 20 and 21, an average pitch angle of both edge sides is preferably in a range of about 20-40 degrees from the perpendicular, more preferably about 30 degrees from the perpendicular, with one edge being pitched opposite to the other as required by the blade 36 to follow the contour of the hub surface 34. The leading edge is twisted in the direction of travel of the impeller rotation. It is that the leading edge 84 corresponds to the leading end 60 of the hub 34, which has a narrow diameter, and the trailing edge 88 corresponds to the trailing end 56 of the hub 34, and that the radial width of the center section of the vane 36 is a function of the radius of the center section region 58 of the hub 34, so that the impeller diameter is substantially constant. The overall length of the vane 36 is equal to the length of the hub 34 plus the angular component.
Der Flügel 36 hat im Querschnitt ein stromlinienförmiges Profil, das eine Behinderung der Strömung minimiert. In einer radialen Richtung ist die Dicke 91 des Flügels 38 im wesentlichen einheitlich. Die Vorder- oder Hinterkarten 84 und 88 haben eine im wesentlichen einheitliche Verjüngung mit einer maximalen Dicke an einem Mittelpunkt, der annähernd die gleiche Entfernung zu jeder Kante aufweist.The wing 36 has a streamlined profile in cross-section that minimizes flow obstruction. In a radial direction, the thickness 91 of the wing 38 is substantially uniform. The leading or trailing edges 84 and 88 have a substantially uniform taper with a maximum thickness at a center that is approximately the same distance from each edge.
Die Fig. 10-12 zeigen einen typischen Flügelfächer aus fünf sich entlang der Nabe 34 erstreckenden Flügeln, die Anzahl der. Flügel, der Flügelraddurchmesser und der Neigungsgrad können jedoch in Bezug auf die durch die Antriebsmaschine 13 zugeführte Energie und hinsichtlich Ausführungsüberlegungen des betreffenden Schiffs optimiert werden.Figures 10-12 show a typical fan of five blades extending along the hub 34, but the number of blades, the impeller diameter and the degree of inclination can be optimized in relation to the power supplied by the propulsion engine 13 and in relation to the design considerations of the vessel in question.
Der Diffusor 35, wie in Fig. 2, Fig. 8 und 9 und Fig. 14 zu sehen (auch manchmal bekannt als Confusor), ist unmittelbar neben dem Flügelrad 33 angeordnet und ist so ausgeführt, daß er in Verbindung mit dem Flügelrad 33 zum Erreichen mehrerer wichtiger Leistungsfunktionen zusammenarbeitet: (1) Dämpfen einer durch das Flügelrad 33 erteilten radialen Beschleunigungskomponente; (2) Verbreiten des Weges des Wasserdurchsatzes über den gesamten Querschnitt der Flügelradfläche; (3) Verhindern von Teilverdampfung des hindurch fließenden Fluids, die aus einem mit Flügelradtätigkeit verknüpften Vakuum resultiert, durch Beaufschlagen eines niedrigen künstlichen Gegendrucks auf das Flügelrad 33; und (4) Ermöglichen maximaler Reaktion des Flügelrads und Zulassen einer wirksameren Übertragung der der Antriebsmaschine zur Verfügung stehenden Energie. Eine jegliche Menge von vorhandenem Dampf würde eine ungleichmäßige Belastung des Flügelrads 33 und Kavitation verursachen.The diffuser 35, as seen in Fig. 2, Fig. 8 and 9 and Fig. 14 (also sometimes known as a confusor), is located immediately adjacent to the impeller 33 and is designed to work in conjunction with the impeller 33 to achieve several important performance functions: (1) dampening a radial acceleration component; (2) spreading the path of water flow over the entire cross-section of the impeller face; (3) preventing partial vaporization of the fluid flowing therethrough resulting from a vacuum associated with impeller action by applying a low artificial back pressure to the impeller 33; and (4) enabling maximum impeller response and permitting more efficient transfer of the energy available to the prime mover. Any amount of steam present would cause uneven loading of the impeller 33 and cavitation.
Die Diffusornabe 38, wie in den Fig. 15-16 zu sehen, hat vorzugsweise eine sich nach innen verjüngende konvexe Oberfläche und einen ringförmigen Innenraum, der in Bezug auf die Nabe 34 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Nabe 38 weist ein Vorderende 42 mit großem flachen Durchmesser, einen Mittelabschnitt 44 mit abnehmendem variablem Durchmesser und ein Hinterende 46 mit kleinem Durchmesser, das einen abgerundeten Vorsprung mit einer konzentrischen Bohrung 48 bildet, die durch die Mitte desselben gebohrt ist, und eine mittige ringförmige Endverlängerung 54 auf. Die Gesamtform der Diffusornabe 38 ist so ausgeführt, daß das zusammenlaufende volumetrische Verhältnis in dem innerhalb des Diffusorgehäuses 16 gebildeten ringförmigen Raum begonnen in dem Ansaugabschnitt und fortgesetzt in dem Flügelradgehäuse der Antriebseinheit der vorliegenden Erfindung aufrechterhalten wird. Eine konzentrische äußere ringförmige Aushöhlung 52 ist primär zur Verringerung von überschüssigem Gewicht vorgesehen, die die Nabe 38 mit Wänden von im wesentlichen konstanter Dicke versieht. Eine konzentrische innere ringförmige Bohrung 50 durch den verlängerten Teil 54 definiert ein zylindrisches Gehäuse für ein Lager 82. Die Bohrung 50 hat einen verkleinerten Durchmesser im Vorsprungabschnitt 46 der Nabe 38, wie es durch Kriterien der Ausführungsstabilität erforderlich ist.The diffuser hub 38, as seen in Figures 15-16, preferably has an inwardly tapered convex surface and an annular interior space disposed oppositely with respect to the hub 34. The hub 38 has a large flat diameter front end 42, a decreasing variable diameter central portion 44, and a small diameter rear end 46 forming a rounded boss with a concentric bore 48 bored through the center thereof and a central annular end extension 54. The overall shape of the diffuser hub 38 is designed to maintain the converging volumetric ratio in the annular space formed within the diffuser housing 16 beginning in the intake section and continuing in the impeller housing of the drive unit of the present invention. A concentric outer annular cavity 52 is provided primarily for reducing excess weight, providing the hub 38 with walls of substantially constant thickness. A concentric inner annular bore 50 through the extended portion 54 defines a cylindrical housing for a bearing 82. The bore 50 has a reduced diameter in the boss portion 46 of the hub 38 as required by design stability criteria.
Die Ausführung der Diffusorflügel basiert typischerweise auf der Ausführung von geraden Standardschaufeln mit der Ausnahme bedeutender, in die Schaufeln 40 eingebauter Änderungen, die mit dem Oberflächenumriß der Diffusornabe 38 verknüpft sind. Die Schaufeln 40 haben eine radiale Breite, die eine Funktion eines Durchmessers der Nabe 38 ist, so daß der Diffusor 35 einen konstanten Durchmesser hat. Die Dicke jedes Flügels kann stromlinienförmig sein oder kann typischerweise überall eine einheitliche Dicke haben mit Ausnahme einer Kantenseite, die kantig oder zugeschärft sein kann, wie es die Feinabstimmung der Ausführung erfordert. Schaufeln 40 weisen eine Vorderkante 41, die in einer Richtung entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Flügelrads 33 gekrümmt ist, und einen geraden Abschnitt auf, der typischerweise perpendikular zu der Nabenfläche ist, folglich also in einem Winkel von bis zu 10 Grad von einer orthogonalen Ebene entfernt geneigt sein kann, die die Nabe am Verbindungspunkt halbiert und entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Flügelrads 33 abhängig von der Leistungsfeinabstimmung ist. Das gekrümmte Ende 41 ist typischerweise in einem Winkel von etwa 10 bis etwa 40 Grad von einer Längsebene entfernt, die die Nabe halbiert, und enthält einen geraden Teil 43. Die Schaufeln 40 sind sicher der Länge nach an einem Ende der Umrißfläche der Nabe 38 und an dem anderen an den Innenwänden des Gehäuses 16 befestigt und liefern tragenden Halt für die Lagerfunktion der Nabe 38. Die Anzahl von Diffusorschaufeln wird unter Berücksichtigung der Anzahl von Flügelradflügeln in einem solchen Verhältnis gewählt, das Leistungskriterien des Diffusorabschnitts, z. B. Gegendruck und Dämpfen von radialer Beschleunigung, erreicht werden, und daß Resonanz- und Lärmpegel minimiert werden. Bei einem wichtigen Ausführungsmerkmal ist das Verhältnis von Flügelrädern zu Diffusoren ungerade : gerade oder umgekehrt. Zum Beispiel wäre bei 3, 5 oder 7 Flügelradflügeln die entsprechende Anzahl von Diffusorschaufeln vorzugsweise 4, 8 oder 10. Insgesamt ist der Diffusor ausgeführt, um die Form der Wasserströmung und die entsprechende Beschleunigung über einen großen Druckunterschied zu steuern, der durch einen breiten Bereich von Schiffsgeschwindigkeiten, Manöver und Seebedingungen dargestellt wird.The design of the diffuser vanes is typically based on the design of standard straight vanes with the exception of significant changes built into the vanes 40 associated with the surface contour of the diffuser hub 38. The vanes 40 have a radial width that is a function of a diameter of the hub 38 so that the diffuser 35 has a constant diameter. The thickness of each vane may be streamlined or may typically be a uniform thickness throughout except for one edge side which may be edged or sharpened as required to fine tune the design. Vanes 40 have a leading edge 41 curved in a direction opposite to the direction of travel of the impeller 33 and a straight portion which is typically perpendicular to the hub surface, thus may be inclined at an angle of up to 10 degrees from an orthogonal plane bisecting the hub at the connection point and opposite to the direction of travel of the impeller 33 depending on the power tuning. The curved end 41 is typically at an angle of about 10 to about 40 degrees from a longitudinal plane bisecting the hub and includes a straight portion 43. The vanes 40 are securely attached longitudinally to one end of the perimeter surface of the hub 38 and to the inner walls of the housing 16 at the other and provide structural support for the Bearing function of hub 38. The number of diffuser vanes is selected taking into account the number of impeller blades in such a ratio that performance criteria of the diffuser section, e.g. back pressure and damping of radial acceleration, are achieved and that resonance and noise levels are minimized. An important design feature is the ratio of impellers to diffusers is odd:even or vice versa. For example, with 3, 5 or 7 impeller blades the corresponding number of diffuser vanes would preferably be 4, 8 or 10. Overall the diffuser is designed to control the shape of the water flow and the corresponding acceleration over a large pressure difference presented by a wide range of ship speeds, maneuvers and sea conditions.
Die Flügelradanordnung P, wie in Fig. 1 zu sehen, ist axial symmetrisch in dem zylindrischen Flügelradgehäuse 31 angeordnet, wobei die Diffusoreinrichtung 35 in dichter Nähe hinter der Flügelradeinrichtung 33 angebracht ist. Die Außenfläche des hinteren Endes 56 an der drehbaren Nabe 34 ist, wie in Fig. 16 zu sehen ist, im wesentlichen kontinuierlich mit der Außenfläche des vorderen Endes 42 an der festen Nabe 38. Die Flügelradanordnung P ist so angeordnet, daß diese Anordnung einfach und schnell zur Wartung entfernt oder ersetzt werden kann, um ein Anpassen des Flügelrads und des entsprechenden Diffusors an die Antriebsmaschine 13 und Schiffsausführungsanforderungen zu ermöglichen. Das Flügelradgehäuse 14 kann eine auswechselbare Verschleißhülse 170 aufweisen, durch die der Durchmesser des Gehäuses 14 entsprechend der Verkleinerung des Durchmessers des Flügelrads 33 verkleinert werden kann.The impeller assembly P, as seen in Fig. 1, is axially symmetrically disposed in the cylindrical impeller housing 31, with the diffuser assembly 35 mounted in close proximity behind the impeller assembly 33. The outer surface of the rear end 56 on the rotatable hub 34 is, as seen in Fig. 16, substantially continuous with the outer surface of the front end 42 on the fixed hub 38. The impeller assembly P is arranged so that this assembly can be easily and quickly removed for maintenance or replaced to enable adaptation of the impeller and the corresponding diffuser to the propulsion engine 13 and ship design requirements. The impeller housing 14 can have a replaceable wear sleeve 170, by means of which the diameter of the housing 14 can be reduced in accordance with the reduction of the diameter of the impeller 33.
Auf diese Weise kann eine Flügelradanordnung mit kleinerem Durchmesser für kleinere Schiffe verwendet werden. Es gibt jedoch keine Begrenzung bezüglich Hochleistung oder Schiffsgröße und die Einheit 11 kann eine proportional vergrößerte Kapazität für große Schiffe oder für höhere Geschwindigkeit aufweisen.In this way, a smaller diameter impeller arrangement can be used for smaller vessels. However, there is no limitation on high power or vessel size and the unit 11 can have a proportionally increased capacity for large vessels or for higher speed.
Die sich axial durch die Einheit 11 erstreckende Flügelradwelle 32 ist mit einem ersten Lagergestell durch die Lageranordnung 140, die an dem Einlaßgehäuse 12 befestigt ist, und mit einem zweiten Lagergestell an der festen Nabe 38 versehen. Die Lageranordnung 140 umfaßt ein Gehäuse 142, ein Rollenlager 144 und einen Verriegelungsring 146. Die Lageranordnung 140 kann weiter ein Getriebegehäuse (nicht gezeigt) für Einheitsübersetzung in eine besondere Antriebsmaschinenanforderung einschließen.The impeller shaft 32 extending axially through the unit 11 is provided with a first bearing frame by the bearing assembly 140 which is secured to the inlet housing 12 and with a second bearing frame at the fixed hub 38. The bearing assembly 140 includes a housing 142, a roller bearing 144 and a locking ring 146. The bearing assembly 140 may further include a gear housing (not shown) for unit gearing to a particular prime mover requirement.
Die Welle 32, wie sie in Fig. 16 zu sehen ist, ist mit einer Schulter 68 und einem konzentrischen distalen Abschnitt 66 versehen, der Abschnitte 70 und 72 mit zunehmend kleinerem konzentrischem Durchmesser aufweist. Das Flügelrad 33 gleitet auf den Abschnitt 66 der Welle 32, so daß das ringförmige Ende der Vorderkante 60 an der Nabe 34 gegen die Schulter 68 anliegt, um eine glatte kontinuierliche Oberfläche für Fluidströmung bereitzustellen. Eine ringförmige Verriegelungshülse 73 mit einem proximalen ringförmigen Ende 74, das einen größeren Durchmesser als ein minimaler Durchmesser des distalen ringförmigen Ende 64 aufweist und sich von der Nabenbohrung 63 nach außen erstreckt, ergreift das ringförmige Ende 64, das das Flügelrad 33 sicher gegen die Schulter 68 an der Welle 32 hält. Ein Abdichtungsring 78 und eine Verriegelungsschraubenmutter 80 befestigen die Hülse 73. Ein distaler Abschnitt 72 der Welle 32 ist zum Verriegeln der Schraubenmutter 80 mit einem Gewinde versehen.The shaft 32, as seen in Fig. 16, is provided with a shoulder 68 and a concentric distal portion 66 having portions 70 and 72 of progressively smaller concentric diameter. The impeller 33 slides onto the portion 66 of the shaft 32 so that the annular end of the leading edge 60 on the hub 34 abuts against the shoulder 68 to provide a smooth continuous surface for fluid flow. An annular locking sleeve 73 having a proximal annular end 74 having a larger diameter than a minimum diameter of the distal annular end 64 and extending outwardly from the hub bore 63 engages the annular end 64 holding the impeller 33 securely against the shoulder 68 on the shaft 32. A sealing ring 78 and a Locking screw nut 80 secures the sleeve 73. A distal portion 72 of the shaft 32 is threaded for locking the screw nut 80.
Eine Kombination aus Standardkeil (nicht gezeigt) und Keilnut 67 tritt synchron mit dem Flügelrad 33 auf der Welle 32 in Eingriff.A combination of standard key (not shown) and keyway 67 synchronously engages the impeller 33 on the shaft 32.
Die Lagerhülse 82 wird in den mittige ringförmigen Teil 54 des Nabengehäuses 38 eingeführt. Die Anordnung wird vervollständigt, indem der Wellenteil 70 mit der Hülse 73 durch das Lager 82 eingeführt wird, so daß der Zwischenraum zwischen den Naben 34 und 38 etwa 1/8 Zoll (ca.. 0,31 cm) beträgt. Eine Bohrung 48 im Vorsprungende 46 der festen Nabe 38 liefert einen Ausgang für Wasser, das das Äußere des Lagers 82 umspült. Das Lager 82 ist selbstschmierend, selbstkühlend und selbstspülend, was typisch für Lager ist, die in Schiffanwendungen verwendet werden.The bearing sleeve 82 is inserted into the central annular portion 54 of the hub shell 38. The assembly is completed by inserting the shaft portion 70 with sleeve 73 through the bearing 82 so that the clearance between the hubs 34 and 38 is about 1/8 inch. A bore 48 in the boss end 46 of the fixed hub 38 provides an exit for water to wash around the exterior of the bearing 82. The bearing 82 is self-lubricating, self-cooling and self-flushing, which is typical of bearings used in marine applications.
Ein Mittel zum Verbinden des Flügelradabschnittgehäuses 14 mit dem Ansauggehäuse 12 und eines Düsengehäuses 20 mit einem Ablaßgehäuse 18 umfaßt identische Ringklemmen 110, die durch Schrauben 113 innerhalb der Klemme festgezogen werden, die über an den jeweiligen Abschnitten befestigte entsprechende Flanschs 112 paßt. Die Klemme 110 weist typischerweise zwei halbkreisförmige, mit einer Nut versehene Teile auf, die an einem Gelenk 111 befestigt sind. Zusätzliche Verbindungsmittel umfassen entsprechende Flanschverbinder, wobei zwischen dem Flügelradgehäuse 14 und dem Diffusorgehäuse 16 Flanschs 114 und 116 und zwischen dem Diffusorgehäuse 16 und dem Ablaßgehäuse 18 Flanschs 118 verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Gummidichtung 115 dazwischen verwendet. Die Gummidichtung 115 ist typischerweise ein O-Ring oder eine Dichtungsscheibe.Means for connecting the impeller section housing 14 to the suction housing 12 and a nozzle housing 20 to a discharge housing 18 include identical ring clamps 110 tightened by screws 113 within the clamp which fit over corresponding flanges 112 attached to the respective sections. The clamp 110 typically comprises two semi-circular grooved parts attached to a hinge 111. Additional connecting means include corresponding flange connectors using flanges 114 and 116 between the impeller housing 14 and the diffuser housing 16 and flanges 118 between the diffuser housing 16 and the discharge housing 18. Preferably a rubber gasket 115 is used therebetween. The rubber gasket 115 is typically an O-ring or sealing washer.
Die Ausführung der Einheit 11 ist derart, daß das Steuermittel S mit einem Gehäuse 130 mittig auf dem Pumpengehäuseabschnitt 31 sitzt. Abschnitte des Gehäuses 130 sind auch durch Flanschs 114, 116 und 118 verbunden.The design of the unit 11 is such that the control means S is seated centrally on the pump housing section 31 with a housing 130. Sections of the housing 130 are also connected by flanges 114, 116 and 118.
Wie in den Fig. 1, 6 und 7 zu sehen ist, weist ein Auslaß- oder Ablaßabschnitt D, der sich von der Linie C-C zu der Linie E-E erstreckt, drei zylindrische Abschnitte 18, 19 und 20 auf und erfüllt zwei primäre Funktionen: Vergrößerung der Fluidgeschwindigkeit und ein Mittel zum schwenkenden Richten des austretenden Stroms zum Vorsehen eines Steuermittels. Der Ablaßabschnitt D enthält zusätzliche Winkel von vorzugsweise von etwa 45 bis 60 Grad oder wie erforderlich, um einen Ablaßpunkt 30 mit dem Bodenkörper 9 eines Schiffes 10 zum Ablassen des austretenden Stroms an oder unterhalb der Wasserlinie des Schiffes horizontal auszurichten.As seen in Figures 1, 6 and 7, an outlet or discharge section D extending from line C-C to line E-E comprises three cylindrical sections 18, 19 and 20 and serves two primary functions: to increase fluid velocity and to provide a means for pivotally directing the discharged stream to provide a control means. The discharge section D includes additional angles preferably from about 45 to 60 degrees or as required to horizontally align a discharge point 30 with the bottom hull 9 of a vessel 10 for discharging the discharged stream at or below the vessel's waterline.
Der sich in der Mitte aus der Linie C-C heraus erstreckende erste Abschnitt ist das winkelförmige zylindrische Gehäuse 18. Das Gehäuse 18 umfaßt einen schwenkbaren Teil 19, der horizontal um 360 Grad schwenkbar ist. Der schwenkbare zweite Abschnitt 19 und der winkelförmige Abschnitt 18 sind durch die Lageranordnung 120 verbunden. Die Lageranordnung 120 umfaßt einen an der Außenfläche des Gehäuses 18 befestigten inneren Laufring 122, einen an der Außenfläche des Abschnitts 19 befestigten äußeren Laufring 124 und einen Lagerring 121 dazwischen.The first section extending centrally from line C-C is the angled cylindrical housing 18. The housing 18 includes a pivotable portion 19 which is horizontally pivotable through 360 degrees. The pivotable second section 19 and the angled portion 18 are connected by the bearing assembly 120. The bearing assembly 120 includes an inner race 122 secured to the outer surface of the housing 18, an outer race 124 secured to the outer surface of the section 19, and a bearing ring 121 therebetween.
Ein Steuermittel 8 verbindet die Steuersäule 15 in einem Seeschiff mit dem drehbaren Abschnitt 19 der Düsenantriebseinheit der vorliegenden Erfindung. Dia Steuerverbindung umfaßt einen Steuerstab 132 mit einem Hülsenlager 134 und einem ersten und zweiten winkelförmigen Getriebe 136. Das zweite winkelförmige Getriebe 136, das auf einem Steuerstab 138 angebracht ist und sich winkelförmig in das Innere des Gehäuses 18 erstreckt, ist operativ mit dem Drehabschnitt 19 mittels Speichenschaufeln 137 verknüpft. Der Steuerstab 138 weist ein Hülsenlager 135 auf. Winkelspeichenschaufeln 137 sind so ausgeführt und installiert, daß sie keine Behinderung für die Strömung darstellen.A control means 8 connects the control column 15 in a seagoing vessel to the rotary section 19 of the jet propulsion unit of the present invention. The control connection comprises a control rod 132 having a sleeve bearing 134 and first and second angle gears 136. The second angle gear 136, which is mounted on a control rod 138 and extends at an angle into the interior of the housing 18, is operatively connected to the rotary section 19 by means of spoke vanes 137. The control rod 138 has a sleeve bearing 135. Angle spoke vanes 137 are designed and installed so that they do not present an obstruction to the flow.
Der dritte Abschnitt des Ablasses D ist ein komplementäres winkelförmiges Gehäuse 20, das wie vorher erwähnt an Abschnitt 19 geklemmt ist und sich hinaus zu der Linie E-E erstreckt. Das Gehäuse 20 umfaßt eine Düse 21 und ist so ausgeführt, daß es auswechselbar ist, um eine leistungsgesteuerte Auswahl der Düse 21 zu ermöglichen. Alternativ kann die Düse 21 eine variable Auslaßöffnung zur Feinabstimmung von Strömungsgeschwindigkeiten und zum Maximieren von Ausgangsleistungen haben, indem zum Beispiel ein Mechanismus vom Iristyp (nicht gezeigt) eingebaut wird. Die Querschnittfläche am Düsenauslaß 30 in dem Ablaßabschnitt D ist vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,25 bis etwa 0,50 : 1; vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 0,30 bis etwa 0,40 : 1 und optimal etwa 0,35 : 1 proportional zu der Querschnittfläche des Flügelradeinlasses 24. Die Innenflächen der Ablaßdüse 21 sind glatt und laufen auf die Querschnittfläche des Auslasses 30 zusammen. Vor der Düse 21 hat das Ablaßrohr einen im wesentlichen konstanten Durchmesser, der in der Vorwärtsrichtung S-förmig ist. Darüber hinaus hat der Abschnitt mit konstantem Durchmesser eine größere Längenabmessung (gemessen entlang einer Mittellinie) als die Düse 21 und ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser, das größer als 1 ist.The third section of the vent D is a complementary angled housing 20 which is clamped to section 19 as previously mentioned and extends out to line EE. The housing 20 includes a nozzle 21 and is designed to be interchangeable to allow performance controlled selection of the nozzle 21. Alternatively, the nozzle 21 may have a variable outlet orifice for fine tuning flow rates and maximizing output performance by incorporating, for example, an iris-type mechanism (not shown). The cross-sectional area at the nozzle outlet 30 in the vent section D is preferably in a ratio of about 0.25 to about 0.50:1; preferably in a ratio of about 0.30 to about 0.40:1 and optimally about 0.35:1 proportional to the cross-sectional area of the impeller inlet 24. The inner surfaces of the discharge nozzle 21 are smooth and converge to the cross-sectional area of the outlet 30. In front of the nozzle 21, the discharge pipe a substantially constant diameter which is S-shaped in the forward direction. In addition, the constant diameter portion has a greater length dimension (measured along a centerline) than the nozzle 21 and a length to diameter ratio greater than 1.
Die Düse 21 enthält eine oder mehrere Begradigungsschaufeln 162, die vorzugsweise perpendikular an der Innenfläche von Abschnitt 20 befestigt sind. Die Begradigungsschaufeln 162 sind ausgeführt, um Verwirbelung zu dämpfen und einen Ablaß einer stetigen laminaren Wasserdurchsatzsäule aus der Einheit 11 zu ermöglichen. Darüber hinaus ist ein Ring 160 an der Außenkante der Düse 21 am Auslaß 30 befestigt. Der Ring 160 erhöht künstlich die Antriebsreaktion des abgelassen Wassers mittels um die Ringkante herum gebildeter Strudel, um einen glatteren Übergang des austretenden Wassers zu ermöglichen.The nozzle 21 includes one or more straightening vanes 162 preferably attached perpendicularly to the inner surface of section 20. The straightening vanes 162 are designed to dampen turbulence and allow a steady laminar column of water flow to be discharged from the unit 11. In addition, a ring 160 is attached to the outer edge of the nozzle 21 at the outlet 30. The ring 160 artificially increases the propulsive reaction of the discharged water by means of vortices formed around the ring edge to allow a smoother transition of the exiting water.
Der Ablaßabschnitt D kann weiter einen Trimmungseinstellmechanismus (nicht gezeigt) zum Ändern der Höhe des Ablaßauslasses 30 im Verhältnis zu der Wasseroberfläche enthalten, so daß die laufende Trimmung des Schiffs bei Notwendigkeit angepaßt werden kann. Der Trimmungseinstellmechanismus umfaßt vorzugsweise überlappende Hülsen, die in der Krümmungsfläche eines oder beider der winkelförmigen Gehäuseabschnitte 18, 20 angeordnet sind, und Mittel zum Positionieren und Verriegeln der Hülsen in einer festgelegten Position. Daher ist die vertikale Höhe des Auslasses 30 proportional zu dem Winkelbogen in den Abschnitten 18 oder 20, der durch Einstellen des Überlappungsgrad der Hülsen vergrößert oder verkleinert werden kann. Das Positionierungs- und Verriegelungsmittel kann ein hydraulischer Zylinder oder ein Getriebemechanismus sein. Der Trimmungseinstellmechanismus ist besonders nützlich, wenn die Einheit 11 nachträglich in ein existierendes Schiff eingebaut wird. Für ein neues Schiff, daß für die Annahme der Antriebseinheit 11 entsprechend ausgeführt ist, ist ein Trimmungseinstellvermögen allgemein nicht erforderlich.The discharge section D may further include a trim adjustment mechanism (not shown) for changing the height of the discharge outlet 30 relative to the water surface so that the current trim of the vessel can be adjusted if necessary. The trim adjustment mechanism preferably comprises overlapping sleeves arranged in the curved surface of one or both of the angled housing sections 18, 20 and means for positioning and locking the sleeves in a fixed position. Therefore, the vertical height of the outlet 30 is proportional to the angular arc in the sections 18 or 20, which can be increased or decreased by adjusting the degree of overlap of the sleeves. can be reduced in size. The positioning and locking means may be a hydraulic cylinder or a gear mechanism. The trim adjustment mechanism is particularly useful when the unit 11 is retrofitted to an existing vessel. For a new vessel designed to accept the drive unit 11, a trim adjustment capability is generally not required.
Das Ablaßgehäuse 18 umfaßt weiter eine Luftöffnung 174, die sich ungefähr auf gleicher Höhe mit dem Ende der Diffusornabe 38 befindet, so daß in die Einheit 11 eingeführte eingefangene Luft entweichen kann und die Einheit 11 selbstansaugend sein kann.The vent housing 18 further includes an air opening 174 located approximately flush with the end of the diffuser hub 38 so that trapped air introduced into the unit 11 can escape and the unit 11 can be self-priming.
Die Steuerfunktion des Ablaßabschnitts D ist durch die Führung von Düsenschub eingeschlossen, wie durch die Steuereinrichtung S gewährleistet wird. Richtstrecken sind mit dem Betrieb der Düse 21 in den Positionen F, R und radialen Positionen dazwischen verknüpft.The control function of the discharge section D is included in the guidance of nozzle thrust as provided by the control device S. Direction sections are associated with the operation of the nozzle 21 in the positions F, R and radial positions therebetween.
Wie früher erwähnt, werden bei der Antriebseinrichtung der vorliegenden Erfindung hervorragende Leistungsgrade erhalten, indem die hindurch fließende Wassermasse auf einer volumetrischen Basis, wie sie durch Fluidströmung durch eine gewöhnliche Düse oder düsenförmige Leitung gezeigt wird, im wesentlichen einheitlich zusammenlaufen gelassen wird. Das heißt, das pro Einheitslänge (oder alternativ axialer Querschnittströmungsfläche) erhältliche Strömungsvolumen verkleinert sich vorzugsweise im wesentlichen einheitlich vom Einlaß 22 zum Auslaß 30. Das Strömungsvolumen pro Einheitslänge des Tunnels ist als das Volumen des Tunnels minus des Volumens, das durch die Masse der internen Teile (z. B. Flügelrad, Diffusor, Begradigungsschaufeln, Welle, usw.) pro Einheitslänge verschoben wird. Auf diese Weise hat der Tunneldurchgang eine Strömungscharakteristik vom Düsentyp. In einer bevorzugten Ausführungsform verkleinert sich das Einheitsströmungsvolumen der Antriebseinrichtung 11 im wesentlichen einheitlich in der Art und Weise einer gewöhnlichen Düse oder düsenförmigen Leitung, die einen Konvergenz-(Verkleinerungs-)Winkel von etwa 2 bis etwa 15 Grad und vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 10 Grad aufweist. Mit düsenförmiger Leitung ist eine Leitung mit vollständiger Konvergenzströmung gemeint, die aus einem oder mehreren zylindrischen und/oder düsenförmigen Abschnitten aufgebaut ist, wobei der Konvergenzwinkel der einzelnen Düsenabschnitte unterschiedlich sein kann, wie zum Beispiel eine Düsenleitung, die aus einem ersten Abschnitt mit einem Konvergenzwinkel von 10º, einem zweiten Abschnitt mit einem Konvergenzwinkel von 5º, einem zylindrischen dritten Abschnitt und einem vierten Abschnitt mit einem Konvergenzwinkel von 10º aufgebaut ist. Die Düsenantriebseinheit für ein Schiff mit Schiffsschraabe in einem Tunnel der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt und zusammengebaut, der hinsichtlich seiner Stabilitätseigenschaften und Widerstandseigenschaften gegen Korrosion ausgewählt wurde, ein nicht-korrodierender Konstruktionskunststoff mit guter Kohäsionskraft wäre jedoch auch für einen oder mehrere Teile der Antriebseinheit geeignet.As previously mentioned, excellent performance levels are obtained in the drive device of the present invention by causing the mass of water flowing therethrough to converge substantially uniformly on a volumetric basis as exhibited by fluid flow through a conventional nozzle or nozzle-shaped conduit. That is, the flow volume available per unit length (or alternatively axial cross-sectional flow area) preferably decreases substantially uniformly from inlet 22 to outlet 30. The flow volume per unit length of tunnel is defined as the volume of the tunnel minus the volume passed through the mass of the internal parts (e.g., impeller, diffuser, straightening vanes, shaft, etc.) per unit length. In this way, the tunnel passage has a nozzle-type flow characteristic. In a preferred embodiment, the unit flow volume of the drive device 11 substantially uniformly decreases in the manner of an ordinary nozzle or nozzle-shaped conduit having a convergence (reduction) angle of about 2 to about 15 degrees, and preferably about 5 to about 10 degrees. By nozzle-shaped duct is meant a duct with full convergent flow, which is constructed from one or more cylindrical and/or nozzle-shaped sections, where the convergence angle of the individual nozzle sections can be different, such as a nozzle duct constructed from a first section with a convergence angle of 10º, a second section with a convergence angle of 5º, a cylindrical third section and a fourth section with a convergence angle of 10º. The jet propulsion unit for a ship with a propeller in a tunnel of the present invention is preferably manufactured and assembled from stainless steel selected for its stability properties and resistance properties to corrosion, however a non-corrosive engineering plastic with good cohesive force would also be suitable for one or more parts of the propulsion unit.
Es wird erkannt werden, daß die Leistung der Düsenantriebseinheit 11 für ein Schiff mit Schiffsschraube in einem Tunnel von der synergistischen Wechselbeziehung der Funktion jedes einzelnen Abschnitts abhängt. Jeder einzelne Abschnitt muß proportional und symmetrisch hergestellt und zusammengebaut werden unter Berücksichtigung des erforderlichen Drucks und der Strömungsbalance, die benötigt wird, um eine wirksame Funktion der Düsenantriebseinheit zu ermöglichen.It will be recognized that the performance of the jet propulsion unit 11 for a ship with propeller in a tunnel depends on the synergistic relationship the function of each individual section. Each individual section must be manufactured and assembled proportionally and symmetrically, taking into account the required pressure and flow balance needed to enable the jet propulsion unit to function effectively.
Die Vorhersehbarkeit von Leistung hinsichtlich der Energieanforderungen der Düsenantriebseinheit ermöglicht es der Einheit, auf eine bestimmte Antriebsmaschine fein abgestimmt zu werden, wobei die Ausführungskriterien der mit Diffusorschaufeln und -düse verknüpften Flügelradflügel berücksichtigt werden.The predictability of performance in terms of the energy requirements of the jet propulsion unit allows the unit to be fine-tuned to a specific engine, taking into account the design criteria of the impeller blades associated with diffuser vanes and nozzle.
Die vorhergehende Beschreibung der Erfindung soll dieselbe darstellen und beispielhaft erklären. Verschiedene Änderungen bezüglich des Materials, der Einrichtungen und bestimmter verwendeter Teile werden den Fachleuten einfallen. Es ist beabsichtigt, daß alle solche Variationen innerhalb des Umfangs der anliegenden Ansprüche eingeschlossen sein sollen.The foregoing description of the invention is intended to be illustrative and exemplifying of the same. Various changes in the materials, apparatus and specific parts employed will occur to those skilled in the art. It is intended that all such variations be included within the scope of the appended claims.
Claims (20)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/AU1992/000085 WO1993016915A1 (en) | 1990-05-10 | 1992-02-27 | Marine tunnel propeller jet propulsion unit |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102013001372B4 (en) * | 2013-01-28 | 2018-02-15 | Voith Patent Gmbh | Assembly method for a ship propulsion |
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Publication number | Publication date |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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