CN107735315A - 喷水推进***和具有喷水推进***的船舶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于船舶的喷水推进***(1)，该喷水推进***包括：进水区域(2)；叶轮区域(3)，该叶轮区域邻接进水区域，并且在该叶轮区域中安装有单级叶轮(4)；以及出口喷嘴(5)，该出口喷嘴邻接叶轮区域，该喷水推进***具有驱动马达(6)，该驱动马达至少间接连接至叶轮(4)的叶轮驱动轴(7)。根据本发明，该叶轮具有仅一个单个叶片(8)。

Description

喷水推进***和具有喷水推进***的船舶

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的喷水推进***。

背景技术

喷水推进***是已知的，其具有进水区域、压缩机部分和驱动喷嘴。压缩机部分在这种情形具有由驱动轴驱动的多个叶片。驱动轴穿过进水区域或驱动喷嘴。

这种已知的喷水推进***具有如下缺点：由于驱动轴的引导而需要密封的轴套。这种轴套在技术上是复杂且维护密集的。这导致高昂的购置和维护成本。这种轴套还具有高摩擦力，因此使高驱动功率成为必要。此外，该驱动轴直接穿过流动区域，并且在叶轮的前方或在出口喷嘴中引起湍流，从而进一步降低了这种驱动器的效率，并且进而增加了所需的驱动功率。另外，这能够导致驱动轴上的气穴现象。此外，驱动轴将旋转能量传递至周围的水，这导致进水或喷嘴区域中的流动条件的劣化，并且导致驱动轴的进一步制动以及所需驱动功率的增加。

已知的喷水推进***还具有很高的由于被吸入的物体而堵塞的倾向，这是为什么在严重污染和/或富含鱼类的水域中的或紧邻陆地的运行通常是不可能的。甚至在水中的浮袋、尿布或大鱼也能够损坏驱动器，并因此导致运行中断。在已知驱动器的情形下通常需要的进水开口上的格栅进一步增加流动阻力并且导致进水区域中的湍流漩涡，因此进一步增加所需的驱动功率。

由于所提到的不同原因，在通常的喷水推进***的情形中需要高驱动功率以及对应的强驱动机构。在所谓的私人船舶(其也缩写为PWC)中，几百kW的驱动功率是相当普遍的，由此需要获得特殊的驾驶许可。由于所需高功率，所以这种驱动器形成为内燃机，通常设计为汽油发动机，并且引起高噪音和污染物排放。因此，这种动力交通工具的运行在许多水域都是禁止的。

这种驱动器或由此运行的船只的噪音发展还限制了它们在休闲活动中的使用，并且妨碍了在自然观察领域或军事情报领域的使用。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种所提到的类型的喷水推进***，其中能够避免上述缺点，该喷水推进***只需要低驱动功率，并且该喷水推进***能够在很大程度地散布有物体的水域中没有问题地运行。

根据本发明，这通过权利要求1的特征来实现。

本喷水推进***具有简单且尤其紧凑的设计。该喷水推进***具有水动力清洁结构，由此所需的驱动功率较低。

因此，能够产生仅需要低驱动功率的喷水推进***。由于较低的所需驱动功率，所以还能够利用电动马达进行运行，其中，该喷水推进***仍然能够提供足够的推力以便以灵活的方式运行船舶。通过利用电动马达来运行以及由此进一步相关联的低噪音，这种动力船舶能够几乎在所有水域(包括环境保护区)上不受限制地运行。由于低噪音，这种动力船还适用于观察动物和/或人。由于低的驱动功率，还能够在没有额外的驾驶执照的情况下运行。

这种驱动器对于被吸入的物体不敏感，该物体通常只是被吸入或扫过，而不会缠结在驱动器内。被吸入的鱼通常不受伤害地穿过喷水推进单元。这使得在濒危鱼类环境中运行成为可能。结合借助于低噪音电动马达的优选驱动器，许多生物不会受到干扰且也不会被杀死。

总之，可以说，本喷水推进***仅需要低驱动功率，并且对于被吸入的物体不敏感，并且因此能够在常规的驱动器失效或被禁止的环境或场景下运行。

从属权利要求涉及本发明的进一步有利的实施例。

特此明确地引用权利要求的措词，由此权利要求在此通过引用结合到说明书中并且被认为是逐字复制的。

附图说明

将参考附图更详细地描述本发明，在附图中，仅以示例的方式示出了优选实施例，其中：

图1正视地示出了本喷水推进***的第一实施例；

图2在根据图1的截面A-A中示出了根据图1的喷水推进***；

图3在第一轴测图中示出了根据图1的喷水推进***；

图4在第二轴测图中示出了根据图1的喷水推进***；

图5在截面图中正视地示出了本喷水推进***的第二实施例；并且

图6在第一轴测分解图中示出了图5的喷水推进***。

具体实施方式

图1至图6示出了用于船舶的喷水推进***1的优选实施例的不同视图，该喷水推进***1具有：进水区域2；叶轮区域3，该叶轮区域邻接进水区域2，在该叶轮区域中布置有单级叶轮4；以及一个出口喷嘴5，该出口喷嘴5邻接叶轮区域3，其中，该喷水推进***1具有驱动马达6，该驱动马达至少间接连接至叶轮4的叶轮驱动轴7，其中，叶轮4仅具有单个叶片8。

本喷水推进***1具有简单且尤其是紧凑的设计。喷水推进***1具有水动力清洁结构，由此所需的驱动功率较低。

因此，能够产生仅需要低驱动功率的喷水推进***1。由于所需要的低驱动功率，所以还能够利用电动马达和电池实现无排放运行，其中，喷水推进***1仍然能够提供足够的推力来以灵活的方式使船舶运行。通过利用电动马达来运行以及由此进一步相关联的低噪音，这种动力船舶能够几乎不受限制地在所有水域(包括环境保护区域)上运行。由于噪音低，这种动力船还适合观察动物和/或人。由于低驱动功率，还能够在没有额外的驾驶执照的情况下运行。

这种驱动器对吸入的物体不敏感，该物体通常只是被吸入或扫过，而不会缠结在驱动器内。被吸入的鱼通常不受伤害地穿过该喷水推进单元。

总之，可以说，本喷水推进***仅需要低驱动功率并且对被吸入的物体不敏感，并且因此能够在常规的驱动器失效或被禁止的环境或场景下运行。

所讨论的驱动器涉及喷水推进***1，因此涉及一种水被吸入、被加速并且在出口喷嘴5处被排出的驱动器。喷水推进***1被提供用于船舶的驱动，其中，船舶优选是所谓的喷射快艇，其中，还可以提供其他浮体。这种喷射快艇被指定为小型变体中的个人船舶或PWC，其中驾驶员坐在类似于摩托车或雪地摩托车的车座上或者简单地站在其上，并且用摩托车式车把来控制快艇。

喷水驱动器1具有进水区域2，该进水区域2优选地由进水开口15和邻接该进水开口15的进水通道14构成。进水区域2被成形为使得在该喷水推进***1布置在船体中的情况下能够进水，因此进水开口15在吃水线以下。如能够在图2和图5中看出，进水通道14具有沿流动方向减小的截面，因此能够利用该移动的喷水推进***1实现拥塞效应。

在本喷水推进***1中，进水区域2不需要保护格栅，或者仅仅需要几乎不引起压力损失的非常粗糙的网格防护装置。进水区域2能够根据其期望的水动力特性来构造，其中，在优选实施例中，叶轮驱动轴7不穿过进水区域2，且因此不需要密封的轴套。另外，进水区域2的流动条件不受叶轮驱动轴7不利地影响。

优选地，尽管在附图中没有示出，但是设置为进水区域2被设计成在叶轮区域3处实现基本上均匀的流动。在这方面，特别地设置为进水区域2被形成为是可调节的。优选地，进水开口15相对于叶轮4的旋转轴线的角度是可调节的，以便将叶轮区域3的入射流调节成不同的速度。还能够设置为以可预先确定的方式调节进水开口15的开口截面和/或形状。通过这些措施，能够增加喷水推进***1的效率。

叶轮区域3邻接进水区域2，其还能够被称为泵区域。在叶轮区域3中布置有单级叶轮4。叶轮4被连接到叶轮驱动轴7，叶轮驱动轴7被连接到喷水推进***1的驱动马达6。

驱动马达6优选地被设计为电动马达。由于在本喷水推进***1中可能的进水区域以及出口喷嘴5的高水动力质量，所以必要的驱动功率能够保持非常低。已经认识到，在这种情形中，即使是最高11kW的驱动功率也足以以灵活的方式运行这种动力船舶。由于这种低驱动功率，所以能够在没有用于休闲船舶的导航执照的情况下运行。在借助于电动马达的驱动器中，除了电动马达本身的功率之外，所需的电池容量也是相关的。当然，具有更强驱动的本喷水推进***1的驱动器是可能的。

在作为电动马达的驱动马达6的优选实施例中，进一步优选地设置为喷水推进***1具有马达控制单元20，该马达控制单元借助于电路(例如借助于连接线22)连接到电动马达或者连接到其速度或功率控制单元。在这种情形中，马达控制单元20能够不同地设计。根据特别优选的实施例，马达控制单元20具有至少一个所谓的逆变器。

根据图1至图4，马达控制单元20优选地具有单独的或独立的壳体，其中，壳体侧面中的至少一个壳体侧面被形成为马达控制单元20的冷却表面21或散热器。功率电子部件导致热形式的功率损失。优选地设置为马达控制单元20的至少一个冷却表面21布置成与进水区域2至少部分地相邻。由此，马达控制单元20的功率损失能够被快速且安全地消散。

根据优选实施例，设置为冷却表面21抵靠在进水管14的表面上，其中，冷却表面21与进水管14的表面分开地形成。这具有不必在进水区域中设置密封点的优点。

为了进一步改进散热，能够进一步优选地设置为将冷却表面21形成为进水管14的一部分。在这种情形中，设置为马达控制单元20被凸缘连接到进水管14中，并因此当移除马达控制单元20时，进水管中的对应的开口保持自由。

根据图5和图6，设置为将马达控制单元20直接布置在驱动马达6上。这将在描述这些实施例时详细描述。

叶轮区域3被优选地设计为组合的轴向/径向泵。水既在轴向方向上被加速，也在径向方向上被加速，因此能够在紧凑的尺寸下实现高压力比。

设置为叶轮4具有仅一个单个叶片8。已经证明因此能够实现高效率，但是最重要是喷水推进***对被吸入的物体的非常高的不灵敏度。这不会导致本叶轮4中的叶轮区域3的阻塞或堵塞，而是简单地输送通过叶轮区域。例如，已经证明，鱼通常以不受损伤的方式穿过本喷水推进***而幸存。

所述一个叶片8优选地布置或形成为绕叶片基体9的基本上锥形的螺旋体。这允许实现有效的液体输送，其中，不会出现会导致气穴现象的危险的负压区域。叶片8因此具有螺旋线或螺旋状的形状，然而，其不具有恒定的直径，而是以数学螺旋的方式稳定地变宽。优选地设置为该单个叶片8被引导围绕叶片基体9一次以上。

特别优选地设置为叶片8的内端区域被偏心地布置(如图2的截面图所示)，因此不被设置在叶轮4的旋转轴线上。由此，喷水推进***1的阻塞能够被进一步减少，这是因为吸入物体有效地进入到由叶片8的间隙形成的叶轮4的输送空间中。

已经认识到，当叶片8可预先确定地在进水区域2的方向上弯曲时(例如如图5和图6所示)，叶轮的效率特别高。在这种情形，叶片8从叶片基体9在进水区域2和叶轮壳体12两者的方向上弯曲。

通过叶片8远离叶片主体9(即，在叶轮壳体12的方向上)渐缩，能够进一步提高效率。在这种情形中，已经发现，如果紧挨着叶轮壳体12的叶片8仅具有约一毫米的强度或厚度，则在实践中有利。因此，能够减少在叶片8与叶轮壳体12之间的水动力摩擦。

叶片基体9被优选地设计为带有凹形的护套表面10的基本上旋转对称的基体。在带有仅一个单个叶片8的叶轮4的本结构中，大致能够在图2中看出的凹形的护套表面10已被证明比液滴形状更好。

叶轮4被布置在叶轮壳体12中。在叶轮区域3或叶轮壳体12的进水侧上，进水管14被凸缘连接到叶轮壳体12。出口喷嘴5或出口区域22的出口流动体壳体24被凸缘连接到叶轮壳体12(尤其是多部件叶轮壳体)的压力侧上。优选地，叶轮壳体12形成为金属压铸部件。

根据图1至图6的优选实施例，设置为叶轮壳体12的叶轮壳体内壁11以截头圆锥的方式形成在叶轮4的区域中。因此，叶轮壳体12的简单生产得以支持，并且容易地实现叶轮4与叶轮壳体内壁11之间的高度紧密性，这是因为这两个部件每个均具有简单的可再加工形状，由此使得能够容易调节该两个部件。

关于效率的进一步提高，已经进一步证明，如果叶轮壳体12的叶轮壳体内壁11在叶轮4的区域中弯曲，并且特别地基本上没有分离边缘，则是有利的。因此，形成了所谓的不可展形状。叶轮壳体11的这种内壁优选地具有无边缘且连续弯曲的形状，其中在截面中具有转向点。这样的叶轮壳体内壁11未在图中示出。

优选地设置为叶片8尽可能远地延伸到叶轮壳体内壁11。由于该区域中的小间隙，所以能够将流体静力学损失保持为较低。

叶轮4自身被布置在叶轮驱动轴7上，该叶轮驱动轴被安装在叶轮壳体12的后壁中。叶轮驱动轴7直接或间接连接到驱动马达6。

在下文中，描述了两个不同的优选实施例的特征。

根据图1至图4，优选地设置为将驱动马达6布置在叶轮区域3上方且在出口喷嘴5上方的安装位置中。优选地设置为叶轮驱动轴7被布置在出口喷嘴5与驱动马达6之间。因此，能够实现非常紧凑的喷水推进***1，尤其是具有非常短的构造的喷水推进***1。

优选地，如图1至图3所示，驱动马达6借助于齿带16连接至叶轮驱动轴7。因此能够简单地形成具有一定弹性量的互锁驱动。替代地，能够借助于链传动、V带、摩擦轮、齿轮或主轴来提供连接。

如上文所解释的，叶轮区域3被连接到出口喷嘴5。在这种情形中，特别地设置为叶轮区域3在仅一个出口周边区域13处连接至出口喷嘴5。该出口周边区域13优选地布置在叶轮区域3或叶轮壳体12的相对于叶轮驱动轴7与驱动马达6相反的一侧上。由于对叶轮区域3与出口喷嘴5的仅一个连接部的限制，以及定位该连接部的优选方式，本喷水推进***1的紧凑结构进一步得以支持。

用于推力矢量控制或推力反向的铰链板18以常规的方式布置在出口喷嘴5的出口区域17处，这例如在图3中清晰可见。

根据图1至图4的特别优选的实施例还包括基部框架19，该基部框架由通过螺钉连接在一起的轻金属部件形成，并且喷水推进***1的各个部件被附接到该基部框架。

图5和图6示出了喷水推进***1的特别优选的第二实施例。

上面已经解释了关于进水区域2和叶轮区域3的实施例。

在根据图5和图6的实施例中，设置为叶轮区域3基本上在整个周界上连接到出口喷嘴5，其中，所谓的出口区域22被布置在叶轮区域3与出口喷嘴5之间。

在出口区域22中，锥形的出口流动体23与叶轮区域3相邻地布置。其优选地具有与其邻接的叶轮4相同的直径，以便实现基本上无缝或无边缘的过渡。

锥形的出口流动体23具有旋转对称且凸形的形状。这种形式是水动力有利的。优选地，周围的出口流动体壳体24的护套表面具有对应地直径相对的形状。优选地设置为在出口流动体23与出口流动体壳体24之间的距离大致恒定。由于在随后的出口喷嘴5的方向上的直径减小，所以存在截面减小，该截面减小由出口喷嘴5继续。由于这种预先确定的截面减小，朝向气穴的趋势可以通过与流动方向相对地形成压力恢复而在叶轮3中减小，这能够防止叶轮区域3内的压力下降过多且因此出现气穴现象。由于这种直径减小以及相关联的叶轮4上的压力增加的措施，叶轮4能够进一步以高速运行。本叶轮的典型运行速度为2000min^-1至8000min^-1，特别是在5000min^-1的范围中，而不引起气穴现象。由于高转速，叶轮4可以具有小直径。

此外，已证明在流动方面有利的是，特别地绕周界均匀分布的可预先确定的多个导叶25与叶轮区域3相邻地布置在出口流动体23上。这些导叶25如图6所示具有轮廓并且将流动引导至出口喷嘴5。优选地，出口流动体23借助于所述导叶连接至出口流动体壳体24并且以这种方式被保持。

已经证明，以可调节的方式来布置和构造导叶25能够实现喷水推进***1更好地适应不同的行驶条件。然后，特别地通过喷水推进***1和船舶1的控制装置和/或巡航控制单元来控制这些导叶25，其中，可以提供来自驱动马达6的驱动。由于这种可调节性，所以能够调节导叶25的迎角。

优选地，进一步设置为将驱动马达6布置在出口流动体23中。由此通过导叶25提供电源。这允许叶轮4的非常直接且稳固的驱动。此外，这允许良好地冷却驱动马达6。进一步优选地设置为将马达控制单元20布置在出口流动体23中。

特别优选的是，在驱动马达6与叶轮4的叶轮驱动轴7之间布置有变速器，特别是行星齿轮。在这种情形中，还能够设置为驱动马达6本身已具有变速器。优选地，所述变速器是机械变速器。变速器被设置或形成为用于减小或降低驱动马达速度或者降低叶轮驱动轴速度。因此，能够使用高速驱动马达6，由此能够实现较高的动力。因此，能够使用转速在12000min^-1和25000min^-1之间，特别是在大约16000min^-1和18000min^-1之间的电动马达，由此能够形成能够良好地集成到出口流动体23中的非常紧凑且同时强大的驱动单元。当然，优选地设置为驱动马达6和变速器两者都被布置在出口流动体23中。

关于效率的进一步提高，已经证明有利的是，将驱动马达6连接到测量装置26，该测量装置被设计成检测驱动马达6的可预先确定的可旋转部件的绝对位置和/或相对于驱动马达6的可预先确定的固定部件的相对位置，并且该测量装置被连接到马达控制单元20。此外，测量装置26具有温度传感器，以监测驱动马达6的工作温度。通过知晓马达定子的绝对位置和/或相对于马达转子的相对位置，能够在借助于逆变器对驱动马达6的控制中考虑到这一点，并且能够进一步提高驱动效率。

Claims (26)

1.一种用于船舶的喷水推进***(1)，具有：进水区域(2)；叶轮区域(3)，所述叶轮区域邻接所述进水区域(2)，在所述叶轮区域中布置有单级叶轮(4)；以及一个出口喷嘴(5)，所述出口喷嘴(5)至少间接邻接所述叶轮区域(3)，其中，所述喷水推进***(1)具有驱动马达(6)，所述驱动马达至少间接连接至所述叶轮(4)的叶轮驱动轴(7)，其特征在于，所述叶轮(4)具有仅一个单个叶片(8)。

2.根据权利要求1所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述叶轮区域(3)被设计为组合的轴向/径向泵。

3.根据权利要求1或2所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述叶片(8)被布置为绕叶片基体(9)的基本上锥形的螺旋体。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述叶片(8)可预先确定地在所述进水区域(2)的方向上弯曲。

5.根据权利要求3或4中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述叶片(8)远离所述叶片基体(9)渐缩。

6.根据权利要求3至5中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，单独的叶片(8)被围绕所述叶片基体(9)多于一次地引导。

7.根据权利要求3至6中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述叶片基体(9)被设计为带有凹形的护套表面(10)的基本上旋转对称的基体。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，叶轮壳体(12)的叶轮壳体内壁(11)以截头圆锥的方式形成在所述叶轮(4)的区域中。

9.根据权利要求1至7中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，叶轮壳体(12)的叶轮壳体内壁(11)以弯曲的方式形成在所述叶轮(4)的区域中，并且特别地基本上没有分离边缘。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述叶轮区域(3)在仅一个出口周边区域(13)处连接至所述出口喷嘴(5)。

11.根据权利要求1至9中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述叶轮区域(3)基本上在整个周界上连接至所述出口喷嘴(5)，其中出口区域(22)被布置在所述叶轮区域(3)与所述出口喷嘴(5)之间。

12.根据权利要求11所述的喷水推进***(1)，其特征在于，在所述出口区域(22)中布置有与所述叶轮区域(3)邻接的锥形的出口流动体(23)。

13.根据权利要求12所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述锥形的出口流动体(23)具有旋转对称且凸形的形状。

14.根据权利要求12或13所述的喷水推进***(1)，其特征在于，与所述叶轮区域(3)相邻，在所述出口流动体(23)上布置有可预先确定的多个导叶(25)，所述导叶特别地绕所述周界均匀地分布。

15.根据权利要求14所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述导叶(25)被以能够可预先确定地调节的方式布置。

16.根据权利要求1至15的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述驱动马达(6)被设计为电动马达。

17.根据权利要求16所述的喷水推进***(1)，其特征在于，在所述驱动马达(6)与所述叶轮(4)的叶轮驱动轴(7)之间布置有变速器，特别是行星齿轮。

18.根据权利要求16或17所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述驱动马达(6)被布置在所述叶轮区域(3)上方并且在所述出口喷嘴(5)上方的安装位置中。

19.根据权利要求12至18中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述驱动马达被布置在所述出口流动体(23)中。

20.根据权利要求16至19中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述喷水推进***(1)具有马达控制单元(20)，所述马达控制单元被连接至所述电动马达。

21.根据权利要求20所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述马达控制单元(20)的至少一个冷却表面(21)被布置成与所述进水区域(2)至少部分地相邻。

22.根据权利要求20所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述马达控制单元(20)被布置在所述出口流动体(23)中。

23.根据权利要求1至22中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述驱动马达(6)被连接到测量装置(26)，所述测量装置被形成为检测所述驱动马达(6)的能够可预先确定地旋转的部件的绝对位置和/或相对于所述驱动马达(6)的可预先确定地固定的部件的相对位置，并且所述测量装置被连接至所述马达控制单元(20)。

24.根据权利要求1至23中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述进水区域(2)和所述驱动喷嘴(5)都以无驱动轴的方式形成。

25.根据权利要求1至24中的一项所述的喷水推进***(1)，其特征在于，所述进水区域被可调节地设计，用于实现在所述叶轮区域(3)处的基本上均匀的流动。

26.一种具有根据权利要求1至25中的一项所述的喷水推进驱动器(1)的船舶，特别是喷射快艇。