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CN101058338B - 用于水运船舶的推进和转向单元 - Google Patents

用于水运船舶的推进和转向单元 Download PDF

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Abstract

一种用于水运船舶的推进和转向单元，该推进和转向单元包括具有前端和后端的机舱、螺旋桨以及螺旋桨轴，该螺旋桨设置在机舱前部外面，并可绕螺旋桨轴的纵轴线旋转，该螺旋桨轴与驱动装置可驱动地连接，该单元包括用于使该单元绕着大致与螺旋桨的纵轴线垂直的轴线旋转的转向装置，该驱动装置包括驱动小齿轮和从动轮，从动轮上的驱动小齿轮的位置使得，在使用中驱动小齿轮的旋转方向产生扭矩以克服最大水动力扭矩，该最大水动力扭矩由螺旋桨的转动和由转向装置驱动的该单元的转动所产生。

Description

用于水运船舶的推进和转向单元
技术领域
本发明涉及一种用于水运船舶的推进和转向单元，特别是但不是绝对地涉及这样一种类型的推进和转向单元，它有方位机舱，该方位吊仓具有可绕第一轴线转动的螺旋桨轴，该方位机舱的前部外侧设有螺旋桨，该机舱可绕与第一轴线不平行的第二轴线转动。
背景技术
本发明涉及一种用于水运船舶的具有新型牵拉机构的推进和转向单元，熟称方位推进器。推进单元是这样一种牵拉装置，方位螺旋桨设置成沿船舶的推进方向，因此相对于螺旋桨位于与推进方向相反方向时的情形，应当被称作牵拉，后一种情形下使用术语“推力”推进器。
我们发现将方位推进器作为牵拉推进器具有一些优点，但将其作为推力推进器时存在的缺点之一是转向发动机的扭矩要求将随着推力推进器显著增加。这意味着船舶上的该单元的部件必须形体更大，也有可能对成本产生不利影响。
因此，本发明的一个方面是提供一种推进和转向单元，它将降低对转向发动机扭矩的需求，目的在于使它最小化。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于水运船舶的推进和转向单元，其包括具有前端和后端的机舱壳体、螺旋桨和螺旋桨轴，该螺旋桨设置在机舱前部的外部，并能绕螺旋桨轴的纵轴线转动，螺旋桨轴与驱动装置可驱动地连接，该单元包括用于使该单元绕着大致与螺旋桨的纵轴线垂直的轴线旋转的转向装置，驱动装置包括驱动小齿轮和从动轮，从动轮上的驱动小齿轮的位置使得，在使用中驱动小齿轮的转动方向产生扭矩，该扭矩克服由螺旋桨的转动和由转向装置驱动的该单元的转动所产生的最大水力扭矩。
从动轮上的驱动小齿轮的位置优选使得，在使用中驱动小齿轮的转动方向产生扭矩，它与由转向装置驱动的该单元的转动所产生的最小水力扭矩一起作用。
优选是驱动小齿轮的转动轴线位于从动轮前面。
驱动小齿轮的转动轴线优选大致与螺旋桨的转动轴线垂直。
推进和转向单元优选包括鳍片部件，它从机舱壳体的后部区域延伸。
应当理解本发明可以包括推进器，该推进器包括固定俯仰叶片的螺旋桨或者可替换地能控制俯仰的螺旋桨。螺旋桨上叶片的数量可以改变，螺旋桨可以是六叶片螺旋桨。
附图说明
现在将结合附图，对本发明及其变化的具体实施例，以举例的方法加以描述，其中
图1是推进和转向单元的平面视图，显示驱动小齿轮和从动轮的配置；
图2是图1所示的推进和转向单元的平面视图，显示该单元所经历的力和速度；
图3a是图1所示的推进和转向单元转动到左舷一侧时的平面视图，显示该单元所经历的力和速度；
图3b是图1所示的推进和转向单元转动到右舷一侧时的平面视图，显示该单元所经历的力和速度；
图4是测试结果曲线图，对比带有和不带鳍片的转向单元的水力诱导的转向扭矩，显示无量纲的转向扭矩(KMZ)绘在同样无量纲的推进数(JA)上，以及
图5是模型测试结果转换成完全实际应用(full scale application)的曲线图，在方位转动角上绘出用于示例性完全实际应用的水力转向扭矩以及总发动机扭矩(包括小齿轮扭矩)；
图6是推进和转向单元的侧视图；
图7是右手系旋转的推进和转向单元的平面视图，显示滑流模式(slipstreampattern)诱导的作用力；
图8是左手系旋转的推进和转向单元的平面视图，显示当该单元朝与图7相反方向转向时的滑流模式诱导的作用力；以及
图9是左手系旋转的推进和转向单元的平面视图，显示当该单元朝与图7相同方向转向时的滑流模式诱导的作用力。
具体实施方式
参考图1，其显示用于水运船舶的推进和转向单元的一部分。该推进和转向单元形式为方位推进器1，其包括固定到螺旋桨轴4的一端、并绕纵向轴线6转动的螺旋桨2。固定到螺旋桨轴4另一端的是锥齿轮冕状齿轮8。冕状齿轮8与驱动小齿轮10啮合，在具体实施例中，冕状齿轮8沿方向7受驱动小齿轮10驱动。驱动小齿轮10安装在垂直驱动轴12上，该垂直驱动轴与船舶的驱动装置(未示出)相连。驱动小齿轮8绕驱动轴12的纵向轴线18旋转，该纵向轴线18大致与螺旋桨轴4的纵向轴线6垂直，螺旋桨2绕该纵向轴线6转动。
方位推进器1的顶部设置有转向发动机(未示出)，该转向发动机转动推进器，使得推力矢量位于0-360度的确定方向上、或者沿两个方向位于360度的倍数的方向上。通常转向发动机包括水轮机或电动机，它们连接到与推进器上的垂直杆相连的齿轮缘上。如果推进器1与螺旋桨断开连接而在静止的水中转动，这将容易以最小扭矩转动而与方向无关。但是如果船舶在行进中，则由于螺旋桨的力和滑流的动力性能，阻力扭矩将随着转动速度和船舶速度的变化而不同。如果阻力扭拒大于转向发动机能够提供的扭矩，推进器将克服转向发动机的压力扭矩而转动。其原因是水力(或所诱导的流动)作用和由于轴12的转动在垂直轴12上产生的扭矩。
首先考虑的是扭矩的机械分量。图1表示方位推进器1的典型动力传动系统。垂直方位的小齿轮10连接到驱动装置，这种情形下小齿轮10的转动方向14为顺时针方向，如平面图所示。此外小齿轮10的啮合点将在冕状齿轮8的上方，冕状齿轮8使螺旋桨2的转动方向16为逆时针方向(如图1的平面图所示)。可选择的是，小齿轮10的啮合点可以在冕状齿轮8的下方。驱动小齿轮的纵向转动轴线18位于冕状齿轮8的前面。
当小齿轮10以给定转速沿图1所示的方向14旋转时，那么推进器1由于摩擦力的作用，将以与小齿轮10的方向14相同的方向15转动，这个“小齿轮扭矩”必须被推进器1的转向发动机系统吸收。
由于螺旋桨2的转动，小齿轮10的转动轴线18上也有一个扭力矩，这是本领域技术人员通常熟知的回转扭拒。由于惯性力矩和角速度，推进器1将沿与小齿轮10相同的转动方向14转动。这样可以明显看出这里描述的动力传动系统的扭矩方向与上面讨论的小齿轮扭矩相同。回转扭矩与推进器1的转向发动机产生的扭矩相比相对较小。
下面讨论水动力引起的力矩，它作用在水平面上，对于推进器1的特征尺寸和方向很重要。为了从根本上理解这一点，首先必须考虑为了牵拉力推进器1而诱导产生的力，这些力由螺旋桨滑流速度和自由流速度结合产生。
图2显示包括位于船舶下方的外壳30的方位推进器1。外壳30包括螺旋桨轴4、冕状齿轮8和小齿轮10。螺旋桨2设置在壳体30一端的外侧。图2显示推进器1的位置相对于自由流40，其转向角度为0度。由于螺旋桨2以方向19(这种情形下绕轴线6顺时针方向)转动，这将引起螺旋桨2的滑流的旋转。因此上方齿轮箱的入流将提供相对于中心轴线6的攻角。虚线箭头20表示的速度将产生一个升力，该力的一个分量与横截面横轴平行，这些力用实线箭头24表示。
在本发明的一个实施例中，推进器1包括鳍片32，其从壳体30的后下方区域向下延伸。虚线箭头22表示的对应速度将产生一个升力，该升力的一个分量平行于横截面的横轴，这些力用实线箭头26表示，并与鳍片32一起出现在推进器1的后下方，但由于在水平螺旋桨中心面下方产生的滑流分量，将具有除了该平面上方以外的另一个方向，即箭头20，24各自所指的另一个方向。作用在螺旋桨上的该侧力分量取决于转动方向和推进数，该分量的大小在中性临界转向角时相对较小，如图2所示。
图3a和图3b显示摆动到左舷(图3a)和右舷(图3b)时，推进器1上的力和扭矩。
图3a和图3b显示推进器1相对于自由流40移动到右舷和左舷一侧的情形。通过相对于滑流方向40摆动到左舷侧，将为用虚线箭头42表示的上部流体提供一个攻角，其中该上部流体将在该侧产生由全箭头44表示的力分量。这同样出现在鳍片32上，但是由于螺旋桨的旋转，滑流流动将改变螺旋桨下方的横向速度分量的方向。鳍片32上的力分量的方向将随之改变，这样它将处在螺旋桨轴上的流线部分的相反方向(横向相反)。当相对于自由流40转到右舷时(图3b)，在上部流动体的力的图形将大致等于在其他情形下的力的图形，但螺旋桨的力52的方向和大小都将改变。这种改变是由于有效攻角在顺时针方向将增大所至。这样除了力的攻击点相当大以外，扭矩的方向还将因此改变。通过相对于滑流方向40摆动到右舷侧，将为虚线箭头53代表的上部流动体提供攻角，其中该上部流体在该侧将产生全箭头56代表的力分量。
图4显示根据本发明的推进器的模型测试的结果，其中水动力转向扭矩表示成推进系数(JA)的函数，
J A = V A N · D
VA＝螺旋桨的推进速度(米每秒)
N＝螺旋桨的旋转速率(转每秒)
D＝螺旋桨直径(米)
在实际情况下，当给定螺旋桨直径的转速保持不变时，它可以看作与水中螺旋桨的速度成比例。这可以通过带鳍片或不带鳍片时转动15和35度到右舷侧或者左舷侧进行测量。从测量中可以观察出两个基本趋势：发现基本区别在于无量纲转向发动机扭矩(KMZ，无量纲，对应于图3附图标记50)依赖于转向的方向。转动15度和30度情况下，转动到左舷侧的值60大致大于转到右舷侧的值70，这与上面的推论一致。此外还应注意到，当推进器带有鳍片32时的值62，72，比不带鳍片32的值64，74，减少得更多。
本领域技术人员从上面的说明将获知，小齿轮10的转动方向对于总转向发动机扭矩很重要，对量纲力和扭矩也很重要，这是选择转向发动机的基础。为此必须选择小齿轮10的转动方向，当水动力扭矩最大时，使其通过转向克服水动力扭矩，当水动力扭矩最小时，选择小齿轮10的转动方向使其通过转向与水动力扭矩一起作用。
这个原理在图5阐明，图5显示进一步的结果，其中带鳍片和不带鳍片的水动力转向力矩的无量纲模型测试结果外推到整个坐标范围，鳍片的型式与根据本发明的小齿轮扭矩结合在一起。
参考图5，虚线80表示不带鳍片32的用于推进器1的水动力转向发动机扭矩(MHz，不带鳍片)。与虚线81表示的带鳍片32的用于推进器1的水动力转向发动机扭矩(MHz，带鳍片)相比。结果清楚表明扭矩值80和81之间存在根本区别，特别是朝两个方向转动大于15度的值。对于舵的正偏转(偏转到左舷侧)其扭矩大约为100kNm，而负偏转(转到右舷)其扭矩大于40kNm。这就表现出了上面所讨论过的非对称性。进一步对于带鳍片和不带鳍片32，推进器1的转向发动机扭矩也存在显著区别，特别是大于15度的转向角。对于正负15度的转向角(普通转向使用最多的区间)，对于带有鳍片的推进器来说，其必须的转向发动机扭矩有利地减小了40-50％。
当选择转向发动机的尺寸时，当然必须考虑出现的最大扭矩，在完全实际应用(见图5)下的最大水动力分布大约为100kNm。
这种连接下的小齿轮10的轴12的转动方向变得重要。参考图3，选择转动方向，使得在水动力扭矩最大的点处(偏转到左舷侧)时，小齿轮扭矩克服水动力扭矩，在水动力扭矩最小的点处(偏转到右舷侧)时，小齿轮扭矩与水动力扭矩一起作用。这在图5中通过曲线82表示出来，它还表示转向发动机扭矩的绝对最大值减少了大约20kNm，降到了大约80kNm。因此有量纲的扭矩80kNm暗示转向发动机是较小的，这在设置和成本上具有明显的优势。
参考图6到9，进一步解释为什么流动诱导的转向扭矩相对于右舷侧和左舷侧方位转动不对称。相同的滑流图形和产生力作用在左手系旋转的螺旋桨(LH，见图8)和右手系旋转的螺旋桨(RH，见图7)上，它们移动到相同但反向的方位角。
左手系转动的螺旋桨(见图9)移动到右舷侧与移动同样的方位角到左舷侧相比，将产生不同的滑流图形。这样对于到右舷和左舷的方位移动，作为方位角函数的转向力矩不对称。与移动同样的方位角到左舷相比，左手系螺旋桨移动到右舷时，鳍片在低方位角下从滑流中隐没(fade)。所以由于自由流所产生的作用在鳍片32上的相反的力将有助于降低低方位角时的转向扭矩。

Claims (4)

1.一种用于水运船舶的推进和转向单元，该推进和转向单元包括具有在船舶向前行进方向的前端和后端的机舱、鳍片元件、螺旋桨以及螺旋桨轴，该螺旋桨设置在机舱前部外面，并可绕螺旋桨轴的纵轴线旋转，该螺旋桨轴与驱动装置可驱动地连接，该驱动装置包括驱动小齿轮和从动轮，该单元还包括用于使该单元绕着大致与螺旋桨的纵轴线垂直的轴线旋转的转向装置，且其中，所述鳍片元件在驱动轴的转动轴线的与螺旋桨相对的侧面上从所述机舱向下延伸，且其中，从动轮上的驱动小齿轮的位置使得在使用中驱动小齿轮的旋转方向产生扭矩以克服最大水动力扭矩，该最大水动力扭矩由螺旋桨的转动和由转向装置驱动的该单元的转动所产生，从而减小转向装置的扭矩。
2.如权利要求1所述的推进和转向单元，其特征在于，驱动小齿轮的转动轴线的位置在从动轮前面。
3.如权利要求1所述的推进和转向单元，其特征在于，从动轮转动的纵轴线位于驱动小齿轮下面。
4.如前面任意一项权利要求所述的推进和转向单元，其特征在于，驱动小齿轮的转动轴线大致与螺旋桨的转动轴线垂直。
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