FI111153B - Propulsiolaite - Google Patents

Description

111153

PROPULSIOLAITE - PROPULSIONSANORDNING

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen aluksen propulsiolaitteeseen.

Perinteisesti laivoissa on yksi tai useampi propulsiopotkuri ja peräsin. Tästä poiketen on viime aikoina yhä enemmän siirrytty käyttämään laivojen pääpropulsiolaitteena ns. ruoripotkurilaitteita. Tällaisia on selostettu esim. patenttijulkaisuissa Fl 63549, Fl 65957, Fl 75128, Fl 75775, Fl 76977 ja Fl 96590. Ruoripotkurilaitteessa laivan propulsiopotkuri on laakeroitu vedenalaiseen oleellisesti pystysuoran akselin ympäri käännettävään pesään, josta seuraavassa käytetään nimitystä potkurigondoli. Potkurigondoli on kiinnitetty akselirakenteeseen, joka on kääntyvästi laakeroitu laivan runkoon. Tästä akselirakenteesta käytetään seuraavassa nimitystä kääntövarsi. Kääntövarren kääntöliikkeen avulla voidaan potkurigondoli ja täten myös sen kehittämä propulsiopotkurivirta suunnata haluttuun suuntaan. Siksi ruoripotkurilaite voi toimia myös laivan ohjauslaitteena. Laivassa voi olla yksi tai useampi ruoripotkurilaite. Jokaisessa laitteessa voi olla yksi tai useampi potkuri.

Kääntövarren ja potkurigondolin yhteisen kääntöakselin ei tarvitse olla täysin pystysuora, vaan se voi myös olla pystysuunnasta poiketen hieman vinossa, kuten esim. julkaisussa Fl 96590 on selostettu.

Ruoripotkurilaitteella varustetun laivan ohjattavuus on erinomainen, mutta potkurigondolin kääntämiseen tarvittava momentti on suuri ja kasvaa propulsiotehon mukaan. Suuri momentti aiheuttaa ongelmia erityisesti hitaasti liikkuvissa laivoissa, kuten hinaajissa ja jäänmurtajissa, joissa käytetään suurta propulsiovoimaa. Ongelmia voi esiintyä jo propulsiotehon ollessa muutamia satoja kilowatteja.

Keksintö perustuu siihen havaintoon, että potkurigondolin kääntämiseen tarvittava momentti on riippuvainen myös potkurin rotaatiotason etäisyydestä kääntövarren ja potkurigondolin yhteisestä kääntöakselista. Perinteisesti ruoripotkurilaitteet on rakennettu siten, että potkurigondolin keskiosa on mainitun kääntöakselin lähellä. Tällöin potkurigondolin päässä oleva potkuri 2 111153 on varsin kaukana kääntöakselista, mikä johtaa siihen, että potkurigondolin kääntämiseen tarvittava momentti on suuri. Tämä aiheuttaa ongelmia ruoripotkurilaitteiden tehon ollessa suuri. Suunnitteilla on jo yli 20 MW:n ruoripotkurilaitteita. Varsinkin tässä teholuokassa perinteisellä tavalla asennetun potkurigondolin kääntämiseen tarvittava momentti nousee erittäin suureksi ja vaatii hyvin vahvaa ohjauskoneistoa, mikä on epäedullista.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittua ongelmaa siten, että myös suuritehoinen ruoripotkurilaite on käännettävissä kohtuullisella kääntömo-mentilla. Keksinnön tarkoitus saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 mainitulla tavalla. Koska propulsiopotkurin tai -potkureiden rotaatiotaso on keksinnön mukaan lähellä kääntövarren ja potkurigondolin kääntöakselia, siitä seuraa, että ohjaukseen tarvittava kääntömomentti, myös propulsiote-hon ollessa suuri, jää suhteellisen pieneksi.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa yhteen potkurigondoliin laakeroitujen potkureiden lukumäärä on edullisesti yksi tai kaksi. Termi "propulsioväline" tarkoittaa potkurigondolin potkureita niiden lukumäärästä riippumatta. Jos potkureita on kaksi, on edullista, että ne asennetaan aksiaalisesti lähekkäin ja kytketään käyttöjärjestelmään siten, että ne pyörivät vastakkaisiin suuntiin. Tällöin potkureiden propulsioteho paranee tunnetulla tavalla. Parannus voi olla noin 10 ... 20 %. Yksinkertaisuuden vuoksi keksintöä selostetaan ensin yksipotkuriversiona.

Keksinnön mukainen ratkaisu vaatii, että kääntövarsi on suunniteltava uudella tavalla. Se ei voi enää olla suora putki, vaan sen on ainakin osaksi oltava käyrä tai porrastettu. Useimmissa tapauksissa tämä tarkoittaa sitä, että potkurin rotaatiotaso leikkaa kääntövartta potkurin yläpuolella. Mikäli kääntövarsi ja potkurin pyörimisakseli ovat suorassa kulmassa toisiaan vastaan, mainittu leikkaus on yleensä merkki siitä, että potkurin etäisyys kääntövarren ja potkurigondolin kääntöakselista on riittävän pieni. Silloin potkurigondolin kääntömomentti pysyy suhteellisen pienenä ja keksinnön tuomat edut toteutuvat. Tämä pitää erityisesti paikkansa silloin, kun mainittu leikkaus tapahtuu kohdassa, jossa potkurin propulsiovoiman kääntövarressa aiheuttama taivutusrasitus on suurin tai tämän kohdan alapuolella.

3 111153

Propulsiopotkuri voi olla työntävä tai vetävä kuten julkaisussa Fl 96590 on selostettu. Keksinnön edut tulevat yleensä paremmin esille potkurin ollessa vetävä, sillä potkurigondolin kääntämiseen tarvittava momentti on tietyissä tapauksissa suurempi vetävää potkuria käytettäessä kuin työntävää potkuria käytettäessä.

Keksinnön mukaan pyritään siihen, että propulsiopotkuri on potkurigondolin kääntöakselin toisella puolella ja potkurigondoli tai ainakin lähes koko potkurigondoli on kääntöakselin toisella puolella. Ilmaisu "lähes koko potkurigondoli" tarkoittaa ainakin noin 80%, mieluimmin ainakin noin 90% gondolin pituudesta, johon potkurin osuutta ei ole laskettu mukaan. Mikäli potkurin käyttömoottori on potkurigondolissa, "lähes koko potkurigondoli" tarkoittaa sitä, että moottorin tehoa kehittävät osat, esim. sähkömoottorin staattori ja roottori, roottorin laakereita lukuunottamatta, ovat potkuriin nähden kääntöakselin toisella puolella. Tällöin saavutetaan myös massavoi-mien suhteen varsin edullisesti tasapainotettu ratkaisu.

Propulsiomoottori voidaan asentaa potkurigondoliin esim. kuten julkaisussa Fl 96590 on selostettu. Silloin on otettava huomioon, että moottorista saatava propulsioteho on riippuvainen moottorin koosta. Moottorin suuri läpimitta on hydrodynaamisista syistä potkurin propulsioteholle haitallinen. Moottorin kokoa voidaan kasvattaa myös sen pituussuunnassa, mutta silloin tavanmukaisen ruoripotkurilaitteen mittasuhteet muuttuvat epäedullisiksi. Keksinnön mukaan moottori voidaan rakentaa siten, että se on potkurin molemmilla puolilla. Kasvattamatta kohtuuttomasti potkurigondolin ulottuvuutta sen kääntöakselista saadaan täten moottori, jonka läpimitta määrätyllä teholla on pienempi kuin jos moottori olisi vain potkurin toisella puolella. Selostettu rakennetapa on vielä edullisempi kaksipotkuriversiossa, jossa potkureiden käyttömoottorit voidaan sijoittaa symmetrisesti potkuri-gondolin kääntöakseliin nähden. Tässä versiossa potkurigondoli voi myös olla jaettu kahteen erilliseen osaan, jossa kummassakin on yksi potkuri. Tällöin potkurigondolin osat ulottuvat potkuriinsa nähden potkurigondoliosi-en yhteisestä kääntöakselista poispäin.

Mikäli potkurigondoli ulottuu propulsiovälineen kummallekin puolelle, on hydrodynaamisesti edullista, jos potkurigondoli potkureineen on yhtenäinen, virtaviivainen kappale. Tämä saadaan aikaan suurentamalla radiaalisuunnas- 4 111153 sa potkurin tai potkureiden napaosaa siten, että se on läpimitaltaan täysin tai lähes yhtä suuri kuin potkurigondoli.

Jos propulsioväline on vetävä, on tärkeää, että sen potkurin lavat eivät pyöri liian lähellä kääntövartta. Varsinkin lapojen ulko-osien pienimmäksi etäisyydeksi kääntövarresta suositellaan vähintään 10 %, mieluimmin vähintään 15 % potkurin halkaisijasta.

Keksinnön soveltuvuusalueen korkeammassa teholuokassa, eli luokkaa ainakin noin 1MW per ruoripotkurilaite, on potkurigondoliin sijoitettu sähkömoottori osoittautunut edullisimmaksi käyttömoottoriratkaisuksi. Tällaisia ratkaisuja on selostettu julkaisuissa Fl 76977 ja Fl 96590. Muita tunnettuja vaihtoehtoja on hydraulikäyttö tai varsin paljon käytetty mekaaninen voimansiirto. Mikäli käytetään mekaanista voimansiirtoa laivassa olevasta käyttömoottorista potkuriin, on edullista rakentaa kääntövarsi siten, että siihen muodostuu ainakin yksi suoraviivainen läpimenotila, johon kulmavaihteen kautta potkuriin yhdistetty voimansiirto-akseli voidaan sijoittaa. Voimansiirron järjestäminen on yksinkertaista, jos läpimenotila sisältää kääntövarren kääntöakselin.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 kaaviomaisesti esittää, sivulta katsottuna, keksinnön erästä yksipotkuriversiota, kuvio 2 kaaviomaisesti esittää, sivulta katsottuna, keksinnön toista yksipotkuriversiota, kuvio 3 kaaviomaisesti esittää, sivulta katsottuna, keksinnön kuviota 2 vastaavaa kaksipotkuriversiota, kuvio 4 kaaviomaisesti esittää, sivulta katsottuna, keksinnön kuviota 2 vastaavaa toista kaksipotkuriversiota.

Piirustuksissa tarkoittaa 1 laivan runkoa, 2 sen propulsiovälinettä eli kuvioissa 1 ja 2 propulsiopotkuria, 3 potkurigondolia, johon propulsioväline on laakeroitu, ja 4 potkurigondolin kääntövartta. Kääntövarren 4 yläpää on laakeroitu laivan rungossa 1 olevaan ainoastaan kaaviomaisesti esitettyyn kääntölaakeriin 5 ja kääntövarren 4 alapää on kiinnitetty potkurigondoliin 3. Kääntövarren 4 yläpää on sen alapäähän nähden siirretty huomattavasti lähemmäksi potkurin rotaatiotasoa 6, kuvion 1 mukaan niin pitkälle, että 5 111153 potkurin rotaatiotaso 6 leikkaa kääntövartta 4. Potkuritason 6 ja kääntövar-ren kääntöakselin 7 välistä etäisyyttä a pyritään keksinnön mukaan minimoimaan. Mikäli potkurin 2 pyörimisakseli ei ole suorassa kulmassa kääntöakseliin 7 nähden, etäisyys a mitataan potkurin 2 pyörimisakselin kohdalla. Etäisyys a on edullisesti korkeintaan noin 20% kääntölaakerin 5 halkaisijasta. Pyritään myös siihen, että etäisyys a on korkeintaan 0,3 D, mieluummin korkeintaan 0,25 D ja edullisimmin korkeintaan 0,2D.

Potkurit on piirustuksissa esitetty ainoastaan kaaviomaisesti. Esim. potkurilapojen lukumäärä ei käy ilmi piirustuksista.

Kuvioon 1 on hahmoteltu mekaaninen voimansiirto potkuriin 2. Tähän voimansiirtoon kuuluu käytettävä hammaskehä 8, pystysuora voimansiirto-akseli 9 ja kartiohammaspyörät 10, joiden kautta käyttövoima välittyy potkuriin 2. Kääntövarsi 4 on rakennettu siten, että siinä on pystysuoraa suoraviivaista tilaa sen verran, että suoran voimansiirtoakselin 9 sijoittaminen kääntövarteen on mahdollista.

Potkurin propulsiovoiman kääntövarteen kohdistama taivutusjännitys on riippuvainen kääntövarren poikkileikkausalasta ja tarkistuskohdan etäisyydestä potkuriakselista. Siinä tapauksessa, että potkurin 2 rotaatiotaso 6 on oleellisesti yhdensuuntainen kääntöakselin 7 kanssa, rotaatiotason 6 tulisi leikata kääntövartta 4 kohdassa, jossa mainittu taivutusjännitys on maksimissaan, tai tämän kohdan alapuolella. Yleensä taivutusjännitys on suurin siinä tasossa, jossa kääntövarsi 4 kohtaa laivan rungon 1. Kuvion 1 mukaisessa sovellutusmuodossa potkurin 2 rotaatiotaso 6 leikkaa kääntö-vartta 4 huomattavasti kyseisen tason alapuolella. Tällöin lähes koko potkurigondoli 3 on potkuriin 2 nähden kääntöakselin 7 vastakkaisella puolella.

Mekaanisen voimansiirron sijasta voidaan käyttää potkurigondoliin 3 sijoitettua käyttömoottoria, esim. sähkömoottoria. Tämä on keksinnön suosittu sovellutusmuoto, sillä tällöin vältytään usean vaihteen kautta tapahtuvasta voimansiirrosta. Keksinnön mukaan sähkömoottorin tehoa kehittävät osat, ts. moottorin roottori ja staattori ovat edullisesti kääntöakselin 7 toisella puolella kuin potkuri 2. Sähkömoottorit on vain kaaviomaisesti esitetty kuviossa 2.

6 111153

Kuvion 1 mukaisessa sovellutusmuodossa suositellaan käytettäväksi vetävää potkuria. Silloin potkurilapojen ja kääntövarren 4 välinen pienin etäisyys b ei saa olla liian pieni, koska muuten kääntövarsi vaikuttaa haitallisesti potkurin virtaukseen. Kuvion 1 mukaan etäisyys b on noin 15 % potkurin 2 halkaisijasta D.

Kuvion 2 mukaisessa sovellutusmuodossa potkurigondoli on jaettu kahteen osaan 3a ja 3b, joista osa 3a on normaalisti menosuunnassa edessä. Potkuri 2 saa käyttövoimansa kahdesta sähkömoottorista 11 a ja 11b. Tällä järjestelyllä saavutetaan se etu, että suhteellisen pienellä käyttömoottorin halkaisijalla saadaan suuri teho johtuen siitä, että moottorin aksiaalista pituutta on voitu kasvattaa verrattuna esim. siihen, mikä olisi käytännössä mahdollista kuvion 1 mukaisessa sovellutusmuodossa.

Kuvion 2 mukaisessa sovellutusmuodossa potkurin 2 rotaatiotaso 6 ja potkurigondolin 3a, 3b kiertoakseli 7 yhtyvät. Potkurin 2 ja sen takana olevan kääntövarren 4 lähimmän osan välinen etäisyys b on tässä sovellutusmuodossa saatu huomattavasti pitemmäksi kuin kuvion 1 mukaisessa sovellutusmuodossa.

Kuvion 3 mukaisessa sovellutusmuodossa on rakenne periaatteessa sama kuin kuviossa 2, mutta tässä käytetään kahta propulsiopotkuria 2a ja 2b, jotka pyörivät vastakkaisiin suuntiin toisiinsa nähden. Tällä tavoin saadaan samalla käyttöteholla suurempi propulsioteho. Parannus voi parhaassa tapauksessa olla lähes 20 %.

Kuvion 4 mukaisessa sovellutusmuodossa kuvion 3 mukaista ratkaisua on kehitetty edelleen. Potkurien navat on suurennettu siten, että potkurigondo-lista 3 muodostuu yhtenäinen sikarinmuotoinen osa. Tämä ratkaisu yleensä vaatii, että potkurien ulkohalkaisijaa jonkin verran suurennetaan.

Keksintö ei rajoitu esitettyihin sovellusmuotoihin, vaan useita sen muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (9)

1. Aluksen suuritehoinen pääpropulsiolaite, joka on varustettu mekaanisella, sähköisellä tai vastaavalla käyttölaitteella ja joka käsittää aluksen runkoon (1) sovitetun kääntölaakerin (5), kääntölaakeriin yläpäästään laakeroidun ja kääntölaakerista ja aluksen rungosta ulkonevan kääntövarren (4), ja kääntövarren alapäähän kiinnitetyn ja propulsiovälineellä (2, 2a) varustetun potkurigondolin (3), jolloin kääntövarsi on käännettävissä oleellisesti pystysuoran kääntöakselin (7) ympäri, tunnettu siitä, että kääntövarteen (4) on muodostettu suoraviivainen läpimenotila suoran, potkurigondoliin (3) johtavan ja mekaaniseen käyttölaitteeseen liitetyn voimansiirtoakselin (9) vastaanottamiseksi tai että kääntövarteen (4) kiinnitettyyn potkurigondoliin (3) on sovitettu sähkömoottori (11a, 11b) tai vastaava, ja että propulsiovälineen (2) rotaatiotaso (6) propulsiovälineen pyörimisakselin kohdalla on sovitettu kääntöakselin (7) läheisyyteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen propulsiolaite, tunnettu siitä, että propulsiovälineen (2) rotaatiotaso (6) leikkaa kääntövartta (4) propulsiovälineen (2) ja aluksen rungon (1) välisellä alueella.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen propulsiolaite, jossa on yksi ainoa potkurigondolin (3) päähän asennettu vetävä tai työntävä propulsioväline (2), tunnettu siitä, että propulsiovälineen (2) rotaatiotaso (6) ja ainakin lähes koko potkurigondoli (3) ovat kääntöakselin (7) eri puolilla.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen propulsiolaite, jonka käyttömoottori (11a, 11b) on potkurigondolissa (3), tunnettu siitä, että koko käyttömoottorin tehoa kehittävä osa on propulsiovälineeseen (2) nähden kääntöakselin (7) vastakkaisella puolella. 8 111153

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen propulsiolaite, tunnettu siitä, että potkurigondoli (3) ulottuu propulsiovälineen (2) rotaatiotason (6) kummallekin puolelle siten, että propulsiovälineen kummallakin puolella on käyttömoottori (11a, 11b) tai muu propulsiovälineeseen kytketty voimansiirto.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen propulsiolaite, tunnettu siitä, että potkurigondoli (3) ja sen keskellä oleva propulsioväline (2a, 2b) yhdessä muodostavat keskialueeltaan tasapaksun tai lähes tasapaksun yksikön.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1, 2, 5 tai 6 mukainen propulsiolaite, tunnettu siitä, että potkurigondoliin (3) on sinänsä tunnetulla tavalla laakeroitu kaksi aksiaalisesti lähekkäin olevaa samankeskeistä propulsiovälinettä (2a, 2b), jotka pyörivät vastakkaisiin suuntiin.

7 111153

8. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen propulsiolaite, tunnettu siitä, että propulsiovälineenä on yksi tai useampi potkuri (2, 2a, 2b).

9. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen propulsiolaite, jossa propulsiovälineenä toimiva potkuri (2) tai potkurit ovat vetäviä, tunnettu siitä, että kääntövarren (4) ja lähimpänä olevan potkurin (2) lapojen välinen pienin etäisyys (b) on vähintään 10 %, mieluimmin vähintään 15 % potkurin halkaisijasta (D). 9 111153