專利名稱：船用推進系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種船用推進系統，其中推進系統包括一個或幾個安裝在每個軸上的推進器，推進器產生驅使船向前的力。借助驅動軸在推進器殼體內可旋轉的推進器配置有旋漿式葉片，其產生向后的射流。
背景技術：
通常公知的船用推進裝置，優選地是通過水射流使軍用和民用船只快速運動的推進裝置包括推進器。圍繞設置有葉片的轉動推進器的殼體固定地安裝在船殼的后部。推進器一般由一鋼軸驅動，該軸通過適宜的裝置向柄延伸，而該裝置又由一個或幾個處于船殼內的發動機驅動。沿運動方向稍微向下傾斜的管狀進水口設置在推進器殼體的前部，以便輸送大量的水。因此，驅動軸穿過所述管狀進水口。借助處于推進器殼體下游的轉向裝置控制該船，該轉向裝置可以在不同方向上引導射流。也可向前引導該射流，而產生減速作用。
由于推進器的驅動軸貫穿進水口，進入推進器的水的入流在某種程度上被擾亂，這意味著在推進器葉片上的載荷產生分配不均衡。所述不均衡載荷意味著彎矩被向內向著推進器的固定點傳遞給推進器。由于這些影響推進器和它的固定點的力的變化，對軸承和密封件提出了十分高的要求。從SE424845中得知通過將推進器固定地安裝在軸上，并布置一允許某一角度偏差的軸承裝置而解決所述問題。但是，由于所述方案需要一彎曲剛性的驅動軸(為了不冒太大角度偏差的之險)，因此使這一結構非常重。不尋常的是，在這個結構中，驅動軸的重量大約達到射水裝置的總重的10％，(射水裝置的重量包括泵單元的、推力軸承和軸頸軸承的、推進器和推進器殼體、轉向和換向裝置的重量，其中泵單元包括具有導向葉片的定子部件)。SE457165和SE504604中公開了另一種公知方案，其中使用不能處理角度偏差的軸承裝置，在驅動軸和推進器之間采用一彈性聯軸器，該聯軸器處理角度偏差。同樣，最后敘述的方案導致一較重的結構，尤其是由于這樣的聯軸器意味著額外的重量。另外，它意味著相當大的缺點，即聯軸器在流動考慮上設置在臨界狀態，這意味著難于獲得最佳的流動條件。
SE424845描述的結構本身具有滿意的特性，但是如上所述，由于剛性的傳統推進器軸很重。在某些應用中，尤其是對于軍用船只，減輕重量同時在載荷十分大時得到最佳的流動條件是十分重要的，這意味著不能采用傳統的射水器設計。另一種不期望在這種應用中在連接處采用聯軸器的原因在于聯軸器意味著功率限制。已經認識到在這種應用中限制功率傳輸的零件是不適宜的，尤其是對于通常能夠傳遞較大功率，一般在3-30MW之間的功率的應用中。長期來，希望通過用較輕的軸替換傳統推進器軸來減少重量，同時消除對彈性聯軸器的需要。迄今，沒有任何付諸實踐。
的確在SE504604提到了可以消除彈性聯軸器，但是它沒有描述這是怎樣實現的。而且，沒有指出來自彎曲剛性軸的高應力是怎樣處理的。而根據SE504604的結構表明了使用彈性聯軸器，并導出如下實施例，其能夠實現軸承單元向后拆卸。這意味著將力從推進器傳給定子外殼的導向葉片必須具有十分有限的長度。而這又意味著獲得關于重量、流動和強度的最佳解決方案的可能性是有限的。尤其是，它意味著相當大的的缺點，即傳遞十分大的功率的可能性在實際中是不能可行地實現的。因此，該結構不能提供好的功率密度的可能性(對于功率密度指最大功率輸出除以射水單元的重量，包括泵單元的、推力軸承和軸頸軸承的、推進器和推進器殼體、轉向和換向裝置的重量，其中泵單元包括具有導向葉片的定子部件)，即在可以傳遞的最大功率方面重量相對較大。通過這種結構，對于入口直徑大于1m的射水裝置來說，難于實現大于1kW/kg的功率密度，而這是不希望和嚴重的限制。對于本領域技術人員很明顯同種設計的功率密度隨尺寸的增大而減少。

發明內容
本發明的目的是找出一種解決上述問題的最佳方案。所述目的通過如下的船用推進系統得以實現，該推進系統包括一推進器，一定子外殼和一用于構成噴水式推進器的推進器殼體，一用于驅動推進器的軸，和一在定子外殼內的用于該軸的軸承裝置，以及優選地在推進器殼體內的軸的密封件，其中，軸由具有比常規軸低得多的抗彎剛度的相當輕的軸構成，并且驅動力通過至少一個非彈性聯軸器，并通過所述軸承裝置傳遞到定子外殼，所述軸承裝置在彎曲方面是剛性的，并且承受軸向載荷，以獲得高功率密度。
由于采用了輕量軸，其變得在彎曲方面較差，就產生了使用在彎矩方面是剛性并承受軸向載荷的軸承裝置并且同時在推進器和驅動軸端部之間使用非彈性聯軸器(如通過螺釘固定)的條件。同時，相對弱的驅動軸滿足實現重量減輕的目的。此外，由于在這個方面優化選擇材料，能節省軸的成本。因此，軸可以做地較細，由于優選地直接固定到推進器上，可以獲得最佳條件，以產生盡可能好的流動路徑，而這又意味著減少了影響推進器軸承裝置的彎曲力。
根據這樣一種驅動系統的優選實施例，驅動軸至少主要由一種復合材料組成。首先，復合軸具有較大的優點，即可以獲得十分小的重量。與傳統鋼軸相比重量能夠減少到70％。另外，獲得的優點是復合軸是特別可彎的，其對于軸承裝置是有利的。低的抗彎剛度也是理想的，并且與傳統的均質鋼軸相比，抗彎剛度減少大約80％。
根據另一方面，復合軸包括第一碳材料的管狀框架，優選地是碳纖維，其由第二纖維材料層(優選地是玻璃纖維)圍繞，并優選地由抗腐蝕材料(優選為聚亞氨酯)的最外腐蝕保護層圍繞。由于驅動軸部分地處于水流中，而水流中可能包含一些硬的和/或磨蝕的物體，而作為復合軸，例如碳纖維軸對沖擊較敏感，因此優選實施例為分別具有抗沖擊層和保護層的軸，這使得損壞的風險減至最小。
根據本發明一附加方面，至少所述推進器殼體的一些部分由輕量材料制成，優選地包括碳纖維，其中優選地推進器殼體的所述部分涂有保護表面，優選地是聚亞氨酯。根據本發明的這種方案提供了額外減輕重量的條件。由于推進器由彎曲剛性非常大的軸承安裝，在實踐中免于游隙，這意味著相對殼體推進器葉片可獲得相當好的定位，這樣在原則上消除了葉片端部與推進器殼體接觸的危險。因此，根據本發明的方案意味著能夠以較大的安全性實現推進器殼體的重量減輕，即可以采用“較弱”和/或較薄的推進器殼體的材料。
根據另外一些潛在方面所述軸承裝置由與圓錐滾柱軸承結合的球面止推軸承構成；
推進器殼體內的軸用潤滑油或潤滑脂潤滑，并由設置于前軸承前部的軸向彈性密封件與外界密封；所述推進器殼體的至少一部分由輕量材料制成，優選地包含碳纖維；所述推進器殼體的入口直徑處于0.5-2m之間，功率密度至少是0.5+(2-D)kW/kg；直徑D處于0.5-1.3m之間，所述功率密度是0.7+(2-D)kW/kg；所述輕量軸由金屬，優選地是鈦和/或中空鋼軸制成；沒有用于從軸向推進器傳遞功率的彈性聯軸器；所述推進器殼體的入口直徑D大于2m，并且額定最大設計功率至少是15MW。
得益于本發明，與傳統系統相比，能夠創建用于噴水式推進器驅動的船只的相當輕的驅動系統，同時提供更高的操作可靠性。


本發明將參照附圖更詳細地描述，該附圖是根據優選實施例的推進器和推進器殼體的垂直、軸向橫截面圖。
具體實施例方式
圖1以垂直截面示出根據本發明的推進器裝置。定子外殼1通過螺栓2或類似物牢固安裝于船殼的后部。圓錐形前部的推進器殼體3通過螺栓4或類似物安裝于定子部分1上。推進器殼體3的所述前部對準向前延伸的管狀進水口，其本身是公知的(未示出)。軸頸11在轉動和彎曲方面借助于第一聯軸器11B經由推進器的底部13牢固地連接到軸12上。
向后，鄰近推進器底部13布置有一圓錐形殼體5，其借助非轉動導向葉片1A固定地緊固于定子外殼1內，且其尖端向后指向。在所述殼體5內有一軸承座6，該座通過螺釘7大致安裝在殼體的中央，并且該軸承座用來將用于軸頸的軸承裝置9，16支撐在驅動軸12上。為了使水從殼體5的內部排出，在推進器底部13的中心(此處的壓較低)附近布置有一組排水孔13A。
轉動的推進器底部13經一第二不可轉動且彎曲剛性的聯軸器12A，適宜地通過螺紋連接，固定地安裝到軸頸11周圍。因此，所述推進器底部13與軸12一起轉動，并且推進器葉片14設置在所述推進器底部13上，所述推進器葉片14產生向后指向的，如箭頭所示的水射流。所述向后指向的水射流經推進器13，14在軸頸11內產生一向前指向的反沖力，該力經止推滾柱軸承9傳遞到軸承座6，殼體5，并通過固定地連接到船殼上的推進器殼體傳遞到定子部分1，因此，得到一向前指向的推進力。
軸12是輕量軸，其適宜由復合材料制成，且在其端部具有一金屬(如鋼)固定裝置12E。這種軸的芯部12B適宜由碳纖維制成，但是，由于軸部分處于水流中，而水流中可能包含一些硬的物體，對于這樣的軸，碳纖維不總是適合的表面材料。在軸的周圍布置玻璃纖維的保護套12C已經解決這個問題。為了使軸具有良好的抗腐蝕/磨蝕的特性，優選地還設置聚亞氨酯的外表面層12D。這種得復合材料軸不僅輕，而且也不具有常規軸那樣的剛性，首先它的抗彎剛度相當小，這對軸承系統提出了重載的需求。因此，球面止推軸承9設置在軸頸11的后端。由于鎖環17以這種方式夾緊軸承9和16，可以獲得一剛性軸承，其可以承受在由推進器葉片14產生軸向推進力通過后軸承9時由非剛性軸和射流產生的彎曲力。軸承適宜地夾緊，以便在軸承上的載荷最小，這通常意味著獲得最大0.05mm的軸向游隙，經常為0～0.02mm，由此實現一剛性軸承。對于某些特定用途，軸承被適宜地偏壓，以便軸向游隙總是0mm。在附圖中，圖示了一球面止推軸承9，但是也能采用其它種類的軸承，如滑動軸承。
一般軸承9和16的周圍的空間充有油，其通常通過導管(未示出)，導向葉片1A和軸承座6供給。因此，所述空間必須相對軸頸和軸承座周圍的水密封。
借助本發明，有可能首先通過用復合軸替換傳統推進器軸而相當大地減小重量，由于軸承裝置9、16結合軸端部的固定的連接件，而可以實現上述替換。
由于本發明的軸承和軸的布置，有可能的其它減少重量的步驟在于在推進器殼體內的入口3也由復合材料制成，其涂有聚亞氨酯3A，以獲得抗沖擊和耐磨蝕表面。由于本發明的實施例，獲得一結構性原理，這提供了理想的高的功率密度。得益于這種軸承裝置和功率傳遞的原理，對于入口直徑小于1.3m的噴水式推進器，能容易地得到1kW/kg的功率密度，這意味著在許多的方面，即操作經濟性和靈活性的基本的優點。對于本領域技術人員很明顯同種設計的功率密度隨噴水式推進器的增大而減少。因此，對于大的噴水式推進器實現高的功率密度更難。已發現新設計確實提供了功率至少是0.5+(2-D)kW/kg的條件，在D處于0.5-1.3m之間的情況下，功率甚至更好，如0.7+(2-D)kW/kg。如果結合本發明的所有方面，對于入口直徑D是1m的噴水式推進器可以獲得大約2kW/kg的功率密度。同樣，對于入口直徑D大于2m的噴水式推進器，本發明的設計提高了功率密度，但是由于處于這一范圍的噴水式推進器的機會稀少，因此，不存在在這個范圍內可比較的功率密度的數字，在這，額定最大設計功率一般遠大于10MW。
本發明不限于上述實施例，而是可以以不同的方式在權利要求的范圍內進行改變。例如，可以意識到其它的具有分別與碳纖維和玻璃纖維相一致特性的材料可用于復合材料軸，并且根據特定要求可以采用許多不同的這樣材料的組合。另外，可意識到可以使用聚亞氨酯以外的其它抗腐蝕保護層涂料，這能大致滿足同一要求。應理解為可以采用油潤滑之外的其他軸承裝置。因此，對于某些應用，為了承受軸向力，使用水潤滑的軸承是有利的，其中對密封件的要求在某種程度上被消除/減少到一定程度。應該理解為驅動軸的特征可以以許多不同的方式適合于給定的條件，首先考慮在推進器前部的不同軸軸承的安裝位置和進水口，這除了影響軸的固有頻率外，還影響傳遞到軸承裝置的力，其中軸的軸承優選地盡可能遠地在推進器殼體的軸承裝置前面，這是由于徑向的確定偏差，從而產生較小的角度偏差。
最后，本領域技術人員可以認識到接頭不需要可拆下。可以構想到軸12和軸頸11可以為一體。另外，推進器可以在軸和/或軸頸上收縮，并且其它的類似的變型落在本領域技術人員的普通知識的范圍內。而且，顯而易見的是根據本發明的軸承裝置有時也可以與的功率密度水噴射裝置結合使用。
權利要求
1.一種船用推進系統，包括推進器(13、14)，定子外殼(1)和用于構成噴水式推進器的推進器殼體(3)，用于驅動推進器(13)的軸(11、12)和在定子外殼(1)內的該軸(11、12)的軸承裝置，以及優選地在推進器殼體(3)內的軸(11、12)的密封件(15)，其特征在于，軸(11、12)由輕量軸構成，其具有比均質傳統鋼軸低得多的抗彎剛度，并且驅動力經由至少一個非彈性聯軸器(11B，12A)并經由所述軸承裝置傳遞到定子外殼(1)，所述軸承裝置在彎曲方面是剛性的，并且承受軸向載荷，從而獲得高功率密度。
2.如權利要求1所述的推進系統，其特征在于，所述輕量軸在主要范圍(12)內包括復合材料。
3.如權利要求2所述的推進系統，其特征在于，復合軸(12)包括第一纖維材料，優選地是碳纖維的管狀框架，其由一層第二纖維材料，優選地是玻璃纖維圍繞，并優選地由抗腐蝕材料的最外腐蝕保護層圍繞，該抗腐蝕材料優選地是聚亞氨酯。
4.如權利要求1所述的推進系統，其特征在于，所述軸承裝置由與圓錐滾柱軸承(16)相組合的球面止推軸承(9)組成。
5.如權利要求4所述的推進系統，其特征在于，在推進器殼體(3)內的軸承(9、14)通過潤滑油或潤滑脂潤滑，并通過設置于軸承(17)前部的軸向彈性密封件(15)與外界密封。
6.如權利要求1所述的推進系統，其特征在于，所述推進器殼體(3)的入口D處于0.5～2m之間，功率密度至少是0.5+(2-D)kW/kg。
7.如權利要求6所述的推進系統，其特征在于，直徑D處于0.5～1.3m之間，所述功率密度是0.7+(2-D)kW/kg。
8.如權利要求1所述的推進系統，其特征在于，至少一部分所述推進器殼體(3)由輕量材料制成，該材料優選地包括碳纖維。
9.如權利要求8所述的推進系統，其特征在于，至少一部分所述推進器殼體(3)涂覆有保護表面，優選地是聚亞氨酯。
10.如權利要求1所述的推進系統，其特征在于，所述輕量軸由金屬，優選地是鈦和/或中空鋼軸制成。
11.如權利要求1所述的推進系統，其特征在于，沒有用于從軸(11、12)向推進器(13)傳遞功率的彈性聯軸器。
12.如權利要求1所述的推進系統，其特征在于，所述推進器殼體(3)的入口直徑D大于2m，并且其額定最大設計功率至少是15MW。
全文摘要
本發明包括一種船用推進系統，其包括推進器(13、14)，定子外殼(1)和構成噴水式推進器的推進器殼體(3)，用于驅動推進器(13)的軸(11、12)和在定子外殼(1)內的該軸(11、12)的軸承裝置，以及優選地在推進器殼體(3)內的該軸(11、12)的密封件(15)，其中，軸(11、12)由輕量軸組成，其具有比均質傳統鋼軸低得多的抗彎剛度，并且驅動力經由至少一個非彈性聯軸器(11B，12A)并經由所述軸承裝置傳遞到定子外殼(1)，所述軸承裝置在彎曲方面是剛性的，并承受軸向載荷，從而實現高功率密度。
文檔編號F16C17/14GK1433367SQ01810779
公開日2003年7月30日 申請日期2001年6月7日 優先權日2000年6月7日
發明者詹斯·托恩布拉德, 克里斯特爾·黑格爾, 斯文-岡納·卡爾森, 岡納·斯蒂拉德 申請人:羅爾斯-羅伊斯股份公司