SE533520C2

SE533520C2 - Propulsion device for a surface watercraft

Info

Publication number: SE533520C2
Application number: SE0900180A
Authority: SE
Inventors: Magnus Eriksson
Original assignee: Echandia Marine Sweden Ab
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-10-12
Also published as: SE0900180A1; WO2010093305A1

Description

20 25 30 35 533 520 Ett propellerblad som skär igenom vattnet har högst hastighet i vinkelled vid sin bladspets. Vid ett givet konstant varvtal så ökar denna hastighet med radien, dvs. en propeller med större diameter har högre bladspetshastighet än en med mindre diameter. Turbulenta fenomen som avlösning och kavitation tenderar att öka med ett ökande Reynoldstal. Reynoldstal ökar med ökande hastighet och ökande karakteris- tisk längd. För en hydrodynamisk proﬁl, som tvärsnittet av ett propellerblad i princip är utgör normalt proﬁlens kordatängd den karakteristiska längden. Kordalängden är längden på en given proﬁl från dess framkant till dess bakkant. Det är normalt att bladet har olika kordalängder pà olika radier, man anger normalt rotkordans längd vid bladfoten, toppkordan vid bladets topp och en medelkorda som är ett medelvärde för alla radier från dess fot till dess topp. Tjockleken pà proﬁlen längs med korclan deﬁnierar sedan bladets form. 20 25 30 35 533 520 A propeller blade that cuts through the water has the highest velocity in angular direction at its blade tip. At a given constant speed, this speed increases with the radius, ie. a larger diameter propeller has a higher blade tip speed than a smaller diameter one. Turbulent phenomena such as relief and cavitation tend to increase with increasing Reynolds numbers. Reynolds numbers increase with increasing speed and increasing characteristic length. For a hydrodynamic profile, as the cross section of a propeller blade is in principle, the cord length of the profile normally constitutes the characteristic length. The cord length is the length of a given profile from its leading edge to its trailing edge. It is normal for the leaf to have different chord lengths of different radii, the root chord length is usually given at the leaf base, the top chord at the top of the leaf and an average chord which is an average value for all radii from its foot to its top. The thickness of the stem along the corolla then nines the shape of the leaf.

Ett syfte med uppﬁnningen är att lösa det tekniska problemet med buller och vibrationer när rotorblad och ledskenor blir hydrodynamiskt pà- och avlastade vid rotorbladens rotation runt sin drivaxel. Minskande vibrationer kan användas för att optimera hállfastheten för ingående komponenter. uppﬁnningen löser problemet genom att den får den utformning som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet. Övriga patentkrav avser fördelaktiga utföringsformer av uppﬁnningen, som ger ytterligare förbättrad verkningsgrad för pumpjetaggregatet genom att rotorblad och ledskenor kan optimeras. l det följande kommer uppﬁnningen att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade ritning. där ﬁg. 1 visar en elektrisk podmotor med ett akterrnonterat pumpjetaggregat och dess fästanordning i form av en fena, ﬁg. 2 visar ett pumpjetaggregat med dysa, stator och rotor sedd bakifrån och ﬁg. 3 visar en principskiss sedd bakifrån över en sned infästning av en ledskena.One purpose of the invention is to solve the technical problem of noise and vibration when rotor blades and guide rails are hydrodynamically loaded and unloaded during the rotation of the rotor blades around their drive shaft. Reducing vibrations can be used to optimize the strength of the components. the invention solves the problem by giving it the design set out in the following independent patent claim. Other patent claims relate to advantageous embodiments of the invention, which provide further improved efficiency for the pump unit by enabling rotor blades and guide rails to be optimized. In the following, the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawing. where ﬁ g. 1 shows an electric pod motor with a stern-mounted pump assembly and its fastening device in the form of a fin, ﬁ g. 2 shows a pump assembly with nozzle, stator and rotor seen from behind and ﬁ g. 3 shows a principle sketch seen from behind over an oblique attachment of a guide rail.

Fig. 1 visar en pod 1 innehållande en elmotor. Poden kan fästas till undersidan av en vattenfarkost med en fena 2. l andra fall kan poden fästas till akterspegeln på en båt med en något annorlunda fâstanordning, mer lik ett inombordsdrev. Även i ett sådant fall fäster fästanordningen pà översidan eller framsidans övre del av poden. I ﬁguren 10 15 20 25 30 35 533 520 3 visas hur en pumpjet 3 är fäst på den utgående drivaxeln direkt efter poden. l figuren visas också den hästskoformade virvel 4 som uppstår runt fenan när gränsskiktet uppströms om fenan löser av och bildar en virvel. Denna hästskovirvel kröker sig runt fenan och följer med strömningen nedströms.Fig. 1 shows a pod 1 containing an electric motor. The pod can be attached to the underside of a watercraft with a fin 2. In other cases, the pod can be attached to the transom of a boat with a slightly different fastening device, more like an inboard gear. Even in such a case, the fastening device attaches to the upper side or the upper part of the front of the pod. The clock 10 15 20 25 30 35 533 520 3 shows how a pump jet 3 is attached to the output drive shaft directly after the pod. The figure also shows the horseshoe-shaped vortex 4 which arises around the fin when the boundary layer upstream of the fin loosens and forms a vortex. This horseshoe vortex curves around the fin and follows the flow downstream.

Fig. 2 visar pumpjetens uppbyggnad sedd bakifrån. En pumpjet innefattar en rotor med rotorblad 5 som är monterad pà elmotoms utgående drivaxel 6. en stator med ledskenor 7 och en dysa 8 som omger rotor och stator. För att minska problem med interferens och egensvängningar mellan stator och rotor är båda utförda med ett udda antal ledskenor 7 respektive rotorblad 5. Ledskenorna och rotorbladen år monterade med en jämn delning runt en symmetriaxel längs drivaxeln. Antalet rotorblad är ett lägre udda antal än antalet ledskenor.Fig. 2 shows the structure of the pump jet seen from behind. A pump jet comprises a rotor with rotor blades 5 which is mounted on the output shaft 6 of the electric motor, a stator with guide rails 7 and a nozzle 8 which surrounds the rotor and stator. To reduce problems with interference and natural oscillations between stator and rotor, both are made with an odd number of guide rails 7 and rotor blades 5, respectively. The guide rails and rotor blades are mounted with an even pitch around a symmetry axis along the drive shaft. The number of rotor blades is a lower odd number than the number of guide rails.

Som nämnts är upptinningens huvudsyfte att lösa det tekniska problemet med buller och vibrationer p.g.a. att rotorblad blir hydrodynamiskt pà- och avlastade när de passerar genom det störda medströmsfaltet. Nar ett enskilt rotorblad 5 roterar ett varv runt drivaxeln, kommer bladet att lokalt uppleva olika anfallsvinklar mot den inkommande strömningen p.g.a. de hastighetsvariationer som förekommer då strömningen pâverkas av störningar p.g.a. ledskenomas 7 påverkan på strömningen och den hästskovirvel 4 som skapas av den fena 2 eller annan fästanordning som förbinder poden 1 med farkostens skrov, se nedan beträffande det senare.As mentioned, the main purpose of thawing is to solve the technical problem of noise and vibration due to that rotor blades become hydrodynamically loaded and unloaded as they pass through the disturbed co-current field. When a single rotor blade 5 rotates one revolution around the drive shaft, the blade will locally experience different angles of attack towards the incoming flow due to the velocity variations that occur when the flow is affected by disturbances due to the effect of the guide rails 7 on the flow and the horseshoe vortex 4 created by the fin 2 or other fastening device which connects the pod 1 to the hull of the vehicle, see below for the latter.

Genom att utforma rotorbladens 5 kordalängd sà att bladens planprojicerade bredd 9 matchar avståndet mellan ledskenoma 7, kommer bladen att avlastas och pálastas på ett mer jämnt och harmoniskt vis. När framkanten pà ett rotorblad 5 kommer in i strömningen bakom en ledskena 7 så lämnar akterkanten- på rotorbladet det störda strömningsfältet bakom närmast tidigare ledskena sett i rotationsriktningen. Med en sådan utformning så blir det en mer kontinuerlig belastningscykel pà bladet istället för att det diskontinuerligt lastas av och pà, vilket annars hade vant fallet. Det senare skulle ha lett till stora vibrations- och bullerproblem. De minskande vibrationerna betyder att man kan utforma rotorbladen 5 tunnare och klenare än annars hade varit fallet.By designing the cord length of the rotor blades 5 so that the plane-projected width 9 of the blades matches the distance between the guide rails 7, the blades will be relieved and loaded in a more even and harmonious manner. When the leading edge of a rotor blade 5 enters the flow behind a guide rail 7, the aft edge of the rotor blade leaves the disturbed flow field behind the nearest previous guide rail seen in the direction of rotation. With such a design, it becomes a more continuous load cycle on the blade instead of it being unloaded continuously on and off, which would otherwise have won the case. The latter would have led to major vibration and noise problems. The decreasing vibrations mean that the rotor blades 5 can be designed thinner and thinner than would otherwise have been the case.

Rotorbladen 5 har väsentligen radiellt riktade fram- och bakkanter och en största projicerad bredd 9 som är lika stor som vinkelavstàndet mellan ledskenoma 7 eller 10 15 20 25 30 35 533 520 4 upp till 8% större än detta. För bästa verkan bör den största projicerade bredden 9 vara 5% större än vinkelavstàndet.The rotor blades 5 have substantially radially directed front and rear edges and a largest projected width 9 which is equal to the angular distance between the guide rails 7 or up to 8% larger than this. For best effect, the maximum projected width 9 should be 5% greater than the angular distance.

Med elmotorn fäst i en fena 2 eller annan fästanordning kommer gränsskiktet upp- ströms om fenan att lösa av och skapa en så kallad hästskovirvel 4. Om en ledskena 7 är placerad så att hästskovirveln 4 passerar över ledskenan, uppstår ett mycket ogynnsamt lastfall för denna enskilda ledskena. Virveln skapar en störd strömning med stora variationer i tryck och hastighet. Dessa stömingar kallas variationer i medströmsfäitet. Detta leder till att den aktuella ledskenan av hàllfasthetsskäl måste göras väsentligt tjockare jämfört med de övriga opåverkade ledskenor. Ett tjockare blad leder till större våt yta och större tvärsnittsarea och därmed till högre motstånd och lägre verkningsgrad. Även rotorbladens 5 dimensionering pâverkas av variationerna i tryck och hastighet i medströmsfältet med samma negativa effekt pà verkningsgraden. Det är således mycket ogynnsamt om en ledskena kommer direkt i hästskovirvelns väg. l en föredragen utföringsform av uppﬁnningen monteras därför det udda antalet led- skenor så att ett blad är riktat väsentligen neråt, vilket följaktligen betyder att inget blad är riktat uppåt i den position som mest skulle vara påverkad av hästskovirveln.With the electric motor attached to a fin 2 or other fastening device, the boundary layer upstream of the fin will loosen and create a so-called horseshoe vortex 4. If a guide rail 7 is placed so that the horseshoe vortex 4 passes over the guide rail, a very unfavorable load case occurs for this individual guide rail. The vortex creates a disturbed flow with large variations in pressure and speed. These disturbances are called variations in the co-current flow. This means that the guide rail in question must, for reasons of strength, be made significantly thicker compared with the other unaffected guide rails. A thicker blade leads to a larger wet surface and a larger cross-sectional area and thus to higher resistance and lower efficiency. The dimensioning of the rotor blades 5 is also affected by the variations in pressure and speed in the co-current field with the same negative effect on the efficiency. It is thus very unfavorable if a guide rail comes directly into the path of the horseshoe vortex. In a preferred embodiment of the invention, the odd number of guide rails is therefore mounted so that a blade is directed substantially downwards, which consequently means that no blade is directed upwards in the position that would be most affected by the horseshoe vortex.

Ledskenorna 7 sätter rotation på strömningen och genererar en lyftkraft. Denna lyftkraft strävar efter att böia ut ledskenorna i vinkelled i ett plan vinkelrätt mot drivaxeln 6. Ledskenomas 7 spets är infäst i dysan 8, vilken i sig genererar en nettokraft i axialled. Detta leder till ett mycket komplicerat lastfall som ger en komplicerad böjmod för bladet med stora lokala spänningskoncentrationer som följd.The guide rails 7 set rotation on the flow and generate a lifting force. This lifting force strives to bend the guide rails in angular direction in a plane perpendicular to the drive shaft 6. The tip of the guide rails 7 is attached to the nozzle 8, which in itself generates a net force in axial direction. This leads to a very complicated load case which gives a complicated bending mode for the blade with large local stress concentrations as a result.

Dysan 8 kommer som en följd av detta att sträva efter att rotera nágot. För att renodla böjmoden kan man fästa in ledskenoma 7 i nav och dysa sa att ett mer renodlat spänningstillstànd uppstår. På detta sätt kan man skapa antingen i huvudsak tryck- eller dragspänningar i ledskenorna, nagot som medför att de kan utföras klenare och tunnare jämfört med om de skulle behöva klara av det komplicerade belastningsfallet.As a result, the nozzle 8 will strive to rotate something. To refine the bending mode, the guide rails 7 can be attached to the hub and nozzle so that a more refined state of tension arises. In this way, one can create either mainly compressive or tensile stresses in the guide rails, which means that they can be made thinner and thinner compared to if they would have to cope with the complicated load drop.

Man kan skapa det önskade mer renodlade tryck- eller dragspänningsfallet genom att ledskenoma 7 inte monteras rakt uti radiell led utan vinklade, sett i ett plan som är vinkelrätt mot rotoms drivaxel 6, så att infästningen i dysan 8 ligger före eller efter infästningen i centrum setti rotoms rotationsriktning (Q i ﬁg.3). Om infästningen i 533 520 5 dysan ligger före infästningen i centrum (u i ﬁg.3) kommer ledskenan 7 väsentligen att uppleva tryckspänningar och om motsatsen gäller (ß i ﬁg.3) kommer ledskenan väsentligen att uppleva dragspänningar.The desired more pure pressure or tensile stress drop can be created by not mounting the guide rails 7 directly in the radial direction but angled, seen in a plane perpendicular to the drive shaft 6 of the rotor, so that the attachment in the nozzle 8 is before or after the attachment in the center. rotational direction of rotation (Q in ﬁ g.3). If the attachment in the nozzle 53 is before the attachment in the center (u in ﬁ g.3), the guide rail 7 will substantially experience compressive stresses and if the opposite is true (ß in ﬁ g.3), the guide rail will substantially experience tensile stresses.

Claims

10 15 20 25 30 533 520 Patent claims:

A propulsion device for a surface watercraft which is attached to the transom of the vessel or below its bottom and comprises an electric propulsion motor located in the water in a water-protective housing - a pod (1) - which is connected via a drive shaft (6) to a pump jet propeller (3 ), which comprises a stator built up of an odd number of guide rails (7), which extend substantially from the center of the propeller to a surrounding circular nozzle (8) and are mounted with an even pitch around an axis of symmetry along the drive shaft (6), and a rotor within the nozzle (8) attached to the drive shaft (6), which rotor during operation drives the vehicle forward, characterized in that the rotor has a lower odd number of rotor blades (5) mounted with even pitch around said drive shaft (6) compared to the number of guide rails (7) ) with substantially radially directed front and rear edges and with a planar projected maximum width (9) equal to the angular distance between the guide rails or up to 8% greater than this.

Propulsion device according to claim 1, characterized in that the plane-projected largest width (9) of the rotor blades (5) is equal to the angular distance between the guide rails (7) or up to 5% larger than this.

Propulsion device according to claim 1 or 2, characterized in that one of the guide rails (7) is mounted substantially at the lower part of the nozzle (8).

Propulsion device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the guide rails (7) are mounted obliquely in a plane perpendicular to the drive shaft (6) so that a rotor blade (5) overlaps a guide rail (7) during rotation. attachment to the nozzle (8) later than its attachment to the center.

Propulsion device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the guide rails (7) are mounted obliquely in a plane perpendicular to the drive shaft (6) so that a rotor blade (5) on rotation overlaps the attachment of a guide rail (7) in the nozzle (8) earlier than its attachment to the center.